Спонтанное шнурование тока и механизмы формирования отрицательного дифференциального сопротивления в сильноточных инжекционных переключателях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

- о%г

VI

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ 1ШК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи УД1С 621 .382

РОДИН Павел Борисович

СПОНТАННОЕ ШНУРОВАНИЕ ТОКА И МЕХАНИЗМЫ Ф0РМИР0ВА1Г { ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕН" В СИЛЬНОТОЧНЫХ ИНЖЕКЦИОННЫХ ПЕРЕКЛЮЧА '""

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлоктрк'

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических нау!с

Санкт-Поторбург 1992

Работа выполнена в физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффо Российской академии наук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник, Лауреат Государственной премии СССР

A.В.ГорОатюк.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

М.Е.Левинштейн,

доктор технических наук, профессор

B.В.ТогатоЕ.

Оппонирующая организация: Всероссийский электротехнический

институт им.В.И.Ленина (г.Москва),

Защита состоится " -1- " СрЯ. 1992 года в ^Очас. на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им.Л.Ф.Иоффе Российской АН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул.Политехническая,26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. ЛЕторефорат разослан ____ 1992 г.

У'¡ониЯ секретарь специализированного совета

Г.С.КУЛИКОВ

ССЧЙСК"1,'?

•• Ч>1 1БЛЙ0ТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Явлв1ше спонташюго шнурования тока в полупроводниках и полупроводниковых структурах заключается в самопроизвольном расслоонии исходно однородного токораспредело-ния и формировании одной или нескольких областей с большой плотностью тока - токовых шнуров или страт. Неустойчивость исходного токораспроделения связана при этом с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) системы в целом или Наличием так называемого "скрытого" ОДС.

Сильноточные инжекционные переключатели - динисторы, обычные и запираемые тиристоры, тиристоры со статической индукцией, тиристоры с МДП-затвором и другие приборы тиристорного типа, составляющие элементную базу современной сильноточной электроники - представляют собой распределенные системы с Б-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) и, как следствие, подвержены спонтанному шнурованию тока. Шнурование тока в этих приборах непосредственно связано с их бистабилькостью по току - свойством, обеспечивающим выполнение главной полезной функции прибора - функции переключения. На начальной стадии расслоите тока имеет изотермический характер, однако впоследствии практически всегда влечет за собой перегрев и даже разрушешю полупроводниковой структуры. В силу сказанного вопросы, связанные со спонташшм шнурованием тока, имеют важноо значение для физики сильноточных инжекциошшх переключателей.

Для простейшего случая неуправляемой (двухэлектродной) ти-ристорной системы теория шнуропшшя тока била построена п рабо -тах [1,21, которые поставили тиристор в один ряд с другими полу ггроводшковими систо:.::."ли о-типа (3) - полупроводтноми с иорп-гревной неустойчивостью, 8-диодом, лавшшым транзистором. Однако существующие представления совершетю недостаточны для описания современных сильноточных инжекциошшх-переключзтолой. Это обстоятельство обусловлено следующими причинами.

1. Современные переключатоли тиристорного тина представляют собой приборы, переключаемые током управления, поданным на рас проделошшй по площади прибор затвор. Управляющее воздействие

определяет функционирование прибора, формирует ero ВАХ, детерминированным образом нарушает однородность инфекционных процессов. Наличие управляющего воздействия является, таким образом, принципиальным фактором, без учета которого адекватное описание спонтанного шнурования тока оказывается невозможным.

о / р

2. При плотностях тока 10—10 А/см , достигаемых в современных приборах, модели переноса заряда в структуре, на которые опирается традиционная теория шнурования, некорректны. Значительное падение напряжения на толще прибора, имеющее место при больших полтностях тока, означает'возникновение областей "внутренней распределенной нагрузки", что, как известно С41. монет повлечь за собой новый, отличный от традиционного механизма расслоения тока в S-системе, тип неустойчивости - неустойчивость Тьюринга,- заключающуюся в расслоении однородного состояния относительно флуктуации с выделенной длиной boj™ при положительном дифференциальном сопротивлении системы.

3. Больаие токи и напряжения требуют учета заряда свободных носителей и зависимостей подвижности носителей от поля при описают однородных состояний с ОДС, характеризущихся пленарным расслоением рабочего пространства на локализованную на коллекторе прибора область сильного поля - коллекторный домен - и плазменную область.

Цель настоящей работы состоит в теоретическом исследовании явлеш:я расслоения тока и механизмов формирования отрицательного дифференциального сопротивления в сильноточных инжекционных переключателях.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Построена теория шнурования тока в тиристоре с распределенным зат?юром. исслодозапо влияние управляющего воздействия на стационарные неоднородные состояния тиристорной системы, установлен нелокальный далиюдойствугаий характер поперечной связи в системе с. затвором.

2. Исследовано спонтанное расслоение тока в единичном управляемом элемента тиристорной системы, выключаемом распределенным током управления, и установлен новый механизм формирования ОДС, действуший на ранней стадии выключения и связанный с изменением

площади токоведущего канала в процессе его вынужденного сжатия управляющим воздействием.

3. Исследована неустойчивость Тьюринга в тиристорной системе и предложена теоретическая модель, объясняющая пространствен-но-периодическую стратификацию тока.

4. Построена теория доменов сильного поля с биполярным током в оОратносмещекном кремниевом р+пп+-переходе, последовательно учитывающая некомпенсированный заряд свободных носителей и зависимость подвижности носителей от величины г.оля. Ка основе данной теории существенно уточнены представления "о механизме отрицательного дифференциального сопротивления тиристорной системы при больших токах и напряжениях.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. В тиристорной системе с квазиоднородно распределенным затвором при спонтанном возникновении токового шнура напряжение на структуре и плотность тока в шнуре увеличиваются при уменьшении потенциала затвора по отношению к потенциалу катода и уменьшаются при увеличении.

2. В тиристорной системе с квазиоднородно распределенный затвором при заданном полном токе затвора поперечная связь между сечония-

(в нормальном к току направлении) имеет нелокальный дально-действующий характер. Плотность тока в устойчивом стационарном шнуре уменьшается при увеличении полного тока, протекающего через шнур. Существует критическое значение параметра нелокальной . связи, начиная с которого в системо сколь угодно большого поперечного размера однородные состояния с отрицательным дифференциальным сопротивлением устойчиг-ы, стационарные ганурлгше состояния отсутствуют.

3. При ылслючонии единичного управляемого ялемента тиристорной структуры состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением реализуется на этапе сжатия токоведущего канала при дости копии им критической ширины, близкой к половит; ширины катода, при сохранении положительного смещения коллекторного перехода на оси капала. Процесс сжатия тоководудего канала спонтанно торяег устойчивость относительно флуктуаций, неоднородных вдоль направления, нормального к напраг,пению скатил. Режимы шлслшгшин, от

- в -

но чающие большим значвшшм коэффициента загшратш, наиболее неустойчивы.

Л. В единичном управляемом элементе тиристорной структуры, выключаемом током затвора, может иметь место неустойчивость Тьюринга. Однородное состояние теряет устойчивость относительно неоднородно!! флуктуации, длина волны которой близка к толщине п-оазы, при положительном дифференциальном сопротивлении. Расслоение тока завершается формированием ■ пространственно-периодической системы контрастных токовых страт. Возникновение неустойчивости обусловлено наличием в системе распределенной омической нагрузки, роль которой играет плазма в п-Сазе структуры.

5. В области пространственного заряда обратносмещокного кремниевого р+пп+- перехода с биполярным током больной плотности в условиях зависимости подвижности носителей от величины поля могут иметь место шесть типов качественно различных полевых распределений, отвечающих различным значениям величюш и состава протока вдо го тока. Дано их аналитическое описание.

Практическая цешюсть работы состоит в развитии новых теоретических представлений о механизмах расслоения тока и формирования ОДС в тиристоршх системах, выяснении связанных с неустойчивостью принципиальных ограничений эффективности управления, создании теории обратносмещенного кремниевого р+пп+-перехода при больших токах и напряжениях, пригодной для моделирования биполярных переключателей диодного, транзисторного и тиристорного типов. Основные результаты работы применимы как к серийно выпускаемым в настоящее время тиристорам, так и к наиболее перспективным приборам с распределенным затвором микронных размеров.

ЛппроОация результатов работы. Основные результаты работы до1с.п')дывпл1!сь нп^~сёминараТ отдела сильноточной электроники Сизико-технического института им.А.Ф.Иоффе, Всесоюзного электротехнического института им.В.И.Ленина, на семинаре "Электроника десктоп г. кремнии и структурах на его основе" (Киев, №'?). Часть вошедших в диссертацию работ отмечена премией Отде ления -пюрдотелыюй электроники ФГИ 1990 года.

Публикации.По материалам диссертации опубликовано 8 работ, перечень"которых приводен в конце реферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 84 наименований и содержит 123 страницы машинописного текста, 36 рисунков и две таблицы на 35 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проведенных в диссертации исследований, сформулирована цель работы и дана ее общая характеристика, приведены научные положения, йшюсишо на защиту.

В главе 1 исследуется спонтанное шнурование тока в тиристо • ре с квазиоднородно распределенным электродом управления.

В области малых плотностей тока,, отвечающих диффузионному механизму переноса заряда в структуре, состояние тиристорной системы может быть полностью задано одним распределенным параметром, характеризующим р-базу (2,3,51. При наличии осуществляемого через затвор квазиоднородно распределенного управляющего воздействия это уравнение имее'1 вид:

а<р а2 а2

Т — = 1 Дф Ф + Г(ф, ф_,У), д = —я + —5 , (I) ог с ах2 дхг

где ф(х,уД) - потенциал р-базы, ОХУ - нормальная к направлению катод-анод плоскость, х, 1 - характерные время и масштаб, V анодное напряжение, фй - потенциал затг,ора.' Функция Г(ф,У,фс), определяющая скорость регенерации избыточного заряда в р-ба?е структуры, явно зависит от потенциала затворе фс

В случае заданного потенциала затвора шнуроЕашш тока со храпнет все качественные черты, свойствешпге ему п случае неуправляемой рпрп-структуры: стациоь^рные неоднородные состояния представляют собой две соседствующие области включенного и вы ключенцого состояний, разделенные плавной стенкой (так называе мый к инк - стационарная волна переброса); ПАХ ¡илурового состояния практически вертикальна. При уменьшении потенциала затвора Ф(.<0 относительно потенциала катода плотность тока п сшуро и напряжение на. структуре уг.гчглчмкяптся (рис.1, крива»' кривая 1

Рис.1. Рис.2.

отвечает срс=0), при увеличении <ра>0 - уменьшаются (кривая 3). В области достаточно больших положительных значений <ра ВАХ однозначна и шнурование тока невозможно. Приведены аништичоские формулы, связывающие параметры шнура со значением <рс и параметрами структуры.

В случае заданного полного тока затвора 10 потенциал <р0 является "плавающим" - зависит не только от величины 1а, но и от среднего алачения потенциала р-базы «р>, что приводит к наличию нелокальной дальнодействующей поперечной связи мезду частями системы, осуществляемой за счет перетекания тока по внешней по отношению к полупроводниковой структуре электрической цепи затвора. Уравнение состояния системы становится интегродифференци-алышм:

дф ,

1 — --- 1 Лф + Г(ф, 1с, V) ■* х (<ф> - ф ), (2)

где ас имеет смысл параметра нелокальной связи.

Нелокальная поперечная сеязь приводит к стабилизации однородных состояний на падающей ветви характеристики (рис.2, участ-

ки "аЬ", "ей"). Одному и тому же значению полного тока отвечают, два стационарных неоднородных состояния , распределение плотности тока в которых имеет вид кинка (состояния А и В). Устойчивым является только состояние нэ ветви "еГ". При увеличении полного тока плотность тока в устойчивом шнуре уменьшается, ч при. достижении значения, отвечающего состоянию "в", происходит включение структуры за счет нелокального взаимодействия включенной и выключенной частей через затвор. При достаточно больших значениях параметра нелокальной связи х все однородные состояния с ОДС устойчивы, стационарные шнуры тока невозможны.

В главе 2 исследуется спонтанное шнурование тока при выключении единичного управляемого элемента тиристорной системы в условиях, когда управляющее воздействие приводит на начальном ьтапе процесса выключения к детерминированному сжатию инжекцион-ного канала (ИК)(рис.3).

В области плотностей тока до10 Л/см2 состояние системы может быть описано уравнением, аналогичным уравнению (1),

<?<р _

•с — = 1 Аф + Г(ф, V), (3)

аг '

граничное условие к которому определяется осуществляемым через переферию единичного элемента управляющим воздействием

- о0| <лр п 6Г = 1с, (4)"

Г

где 1а - ток управления, оо - эффективная проводимость р-базы, Г - граница р-базы единичного управляемого элемента в плоскости ОХУ, п - единичный вектор нормали к ней.

Диализ устойчивости стационарных неоднородных вдоль Оу и однородных вдоль Ох распределе1шй ф(х,у), отвечающих сжатому вдоль Оу ИК, обнаруживает устойчивость широких и неустойчивость узких ИК. Криторием устойчивости является наличие гглато Iрас пределении потенциала р-базы ф(у), т.о существование вблизи оси ИК кпазиоднородпо включенной токоподущей области. Узкий ИК неустойчив относительно неоднородных вдоль Ох флуктуации, увеличивающих его ширину в одних мостах и уменьшающих в других. В илг>

Ч£//

и

Рис.4.

ально однородной структуре наибольшим инкрементом нарастания обладает флуктуация, длина полуволны которой равна длине единичного элемента С. В структуре с малой технологической неоднородностью на начальном этапе нарастпт флуктуация, профиль которой повторяет профиль неоднородности.

При больших плотностях тока Ю3- 104 А/см2 в диффузионно-дрейфовом механизме переноса заряда доминирует дрейф. В кремни-

евых структурах при токах более 102А/см2 концентрация

злектрон-

но-дорочной плазмы насыщается, достигнув значения 1017-1018см~3 [6). При сжатии ИК в приборе выделяются две области с. большой проводимостью - 11К шириной f. и участок силыголегировашюй р-бази, играющий роль канала экстракции дырок, длиной.(L - f)/2. Характер проводимости обеих этих областей близок к омическому, и сопротивление определяется, таким образом, геометрическими размерами. ВДХ мотет быть выписана явно

(5)

где Uj. - величина смещения потенциала затвора, коэффициенты е, р

определяются параметрами структуры. ВАХ (5) имеет Б-образный вид (рис.4). Механизм формирования ОДС обусловлен изменением размера ИК и нолинейним ограничением его удельной проводимости. Переход в область 0Д0 отвечает сжатию ИК до ширины меньшей половины ширины катода Ь. Развитие неустойчивости протекает аналогично рассмотренному выше случаю диффузионного переноса.

При динамическом сжатии ИК критическая ширина £кп, отвечающая переходу процесса в неустойчивую фазу, описывается формулой

Екр " 1 •

кр <к0/к) + 1

где к = 1А/1С - коэффициент затирания, характеризующий эффективность управле:шя в данном режиме выключения, к0 - предельный коэффициент запирания. Наиболее неустойчзгвы режимы выключения, отвечающие близким к к0 значениям к, что указывает на существование принципиального ограничения на предельно достижимый коэффициент запирания.

Дана оценка параметров "двумерного" токового шнура, возникающего в результате развития неустойчивости при квазистатическом выключении, и показано, что нагтяжение на структуре при шнуровании е два раза превышает остаточное напряжение 4исе/р2.

В главе 3 исследуется неустойчивость Тьюринга и пространственно-периодическое расслоение тока в тиристорной системе.

В первой части главы предложена феноменологическая модель пространственно-периодического расслоения тока. При плотностях тока Ю3- 104 А/см2 для корректного описания расслоения тока необходимо учитывать омическое падение напряжения на толще п-базы структуры. Состояние системы может быть описано системой уравнений:

о: ,а2з

т. - = —,т + ги.у.ф = сопзг ) , ф < О. (7а)

э аг 0 а?." &

ду д2ч

\ - - —о РУЛ^ ; , Р = V - - V. (7б)

гН с?а '

где ,1 - плотность тока, у - суммарное натряженко см<;пе;;;!я

рп-переходов, п - сопротивление п-базы, отвечающее насыщенной концентрации 1017-1018 см-3. Уравнение (7а) представляет собой феноменологический аналог уравнения (1), уравнение (76) описывает плачцу в п-базе структуры. Характерное время определяется максвелловской релаксацией плазмы в п-базе структуры и заведомо меньше характерного времени величина которого определяется скоростью регенеративного процесса. Характерная длина близка к толщине п-базы № ~ 102 мк, длина зависит от конкретных. особенностей структуры и процесса переключения и может меняться в диапазоне значений 10-103 мк, Нуль-изоклина уравнония (7а) является ВАХ идеализированной системы рп-пореходоЕ, нуль изоклина уравнения (76) - линией внутренней нагрузки. Данный случай соответствует активаторно-ингибиторной К>)-системэ (4), в которой при < и < 1у имеет место неустойчивость Тьюринга - расслоение однородного состояния от ;ительно флуктуации с выделешюй длиной волны, завершающееся образованием пространствешю-периодичоской систЬмы токовых страт (на рис.5 представлена для лыровдениого случая « ]у).

Во второй части ^чавы рассматривается неустойчивость Тьюринга в канале двойне»! инкекции мощного двухоперационъиго тирис-

тора, выключаемого током затвора. При выключении системы сжатие ИК происходит неоднородно вдоль направления 0z - направления протекания анодного тока (рис.6). Рабочее пространство системы разделяется на р-базу и примыкающую к ней область п-базы, играющую активную роль и формирующую ОДС (область I) и толщу п-базы» выступающую в пассивной роли резистквной нагрузки (область II). Состояние системы характеризуется шириной янжекционного канала в активной области £ и падающим на ней напряжением и:

<9£ з дгг г А В

т — = Iй —* +

Г _ .и-е--1 , (8а)

<п <?хс «• к^ ->

хи л = ^ + [ и ] • (86)

где коэффициенты А, В, 1. т, 1ц»*Сц определяются параметрами структуры и потенциалом затвора.

Анализ показывает, что при параметрах системы, отвочащих условиям эксперимента [8], в котором наблюдалось пространственно-периодическое разрушение структуры мощного тиристора, однородное токораспределение неустойчиво относительно фпуктуаций с длиной волны, близкой к толщине структуры , при положительном дифференциальном сопротивлении. Неустойчивость обусловлена согласованным развитием флуктуации ширины ИК в активном слое и неоднородной, связанной с поперечным растеканием, флуктуации тока в п-базе. Характерные времена развития неустоГчивости со -ставляют доли микросекунда.

В главе 4. исследуется ОДС тиристорной системы при больших токах и напряжениях, связанное с детерминированным пленарным расслоением рабочего пространства на коллекторный домен (КЛ) сильного поля и плазменную область. Особенностью планарних расслоений такого рода, возникающих при переходных процессах переключения, является сочетание большой напряженности электрического поля в КД (10^-10-* В/см) с большой плотное! 1>ю тока (1о'-Ш3А/смг). Распределение элек.рического поля в КЛ п значительной мере определяется нескомпенсироватшм зарядом свободних носителей и. следовательно, существенно зависит от состав,-) к

Глс.7.

Рис.8.

величины протекающего через домен тока [71.

Для случая кремшя, обладающего монотонной зависимостью дрейфовой скорости носителей vr р(Е), найдены аналитические решения задачи о стационарном распределении электрического поля в области пространственного заряда обратносмещенного коллекторного рнпп"1-перехода

с1Е °п

д

ее,

( р - п + ^ ]

апип(Е), ип(Е) =

н е/Е5

(9)

-1р - ЧруЕ), „р(Е> = 1 +

и дана их классификация ( - подвижности носителей в слабых нолях, Ь---|1п/(1п, Б~10^В/см). В слаболегировышой п-области пе-

шесть принципиально различных типов

-п-1 р

рохода могут иметь место половых распределений (рис.8); тип реализующегося пологого рас ггродолштя определяется величинами электронной и дырочной комно понт биполярного тока ,Тп, Л(1, а такте приложенным нгщрякенинм.

Аналогичным образом описаны нестационарные КД, фронты которых распространяются автомодельно, и рассчитаны токи перезарядки коллекторной области, связанные с движением границы мевду доменом и плазмой.

ВАХ состогагия, характеризущегося расслоением рабочего пространства на КД сильного поля и плазменный резервуар, определяется из известного для рпрп-структур условия

оц + о^- 1 = a^Ja/J , (Ю)

где а1, о^ - коэффициенты переноса через р- и п-базы, соответственно, J - плотность анодного тока, ^ - плотность поданного на р-базу тока управления. Коэффициент переноса через п-базу а^ определяется ее эффективной шириной и, следовательно,зависит от размера КД V.

Особенность ситуации, имеющей место при больших плотностях тока, заключается в том, что размер КД не задан однозначно падающим на нем напряжением и, но зависит также от величины и состава протекающего через домен тока. Зависимость №(.1п,.1р,и) может быть определена из построенной в первой части главы теории КД. Расчет показывает, что при увеличении напряжения на структуре происходит смена типа полевого распределения в КД: распределение типа I, обладающее горизонтальной асимптотой, переходит в распределение типа II, в котором поле квазилинейно нарастает с координатой.

В заключении обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Построена теория шнурования тока в тиристоре с квазиод-нородно расстрелелешшм затвором, явно учитывающая влияние управляющего воздействия на состояние системы. Установлена зависимость параметров спонтанно возникшего стационарного токового шнура от потенциала затвора.

2. Показано, что при задаток полном токе упразления вследствие зависимости потенциала затвора от средней величины потенциала р-базы имеет место нелокальная поперечная связь мегуцг сечениями структуры. Наличие нелокальной связи приводит к стабилизации однородных состояний системы, отвечающих падающей вотви характеристики, относительно расслоения тока. Плотность тока в устойчивом стационарном шнуре уменьшается при увеличении величины полного тока , протекающего через шнур. При достаточно большом параметре нелокальной связи в системе сколь угодно -большого поперечного размера все однородные состояния оказываются устойчивыми, стационарные шнуры тока невозможны.

3. Дан анализ возможных сценариев переключения тиристора распределенным током затвора, учитывающий изменение ВАХ шнуровых состояний под действием управления.

л. Показано, что при выключении распределенным током затвора единичного управляемого элемента тиристорной системы, имеющего форму вытянутого параллелепипеда (рис.3), газораспределение может терять устойчивость относительно флуктуаций, неоднородных вдоль направления протяженности единичного элемента Ох, на первом этапе процесса выключения - этапе сжатия инжекционного канала. Потеря устойчивости имеет мосто при достижении инжекциошшм каналом критической шириш, близкой к половине ширины катода, и отвечает переходу системы в состояние с отрицательным дифференциальным сопротизлегасм. Наиболее неустойчивы медленные режимы выключения, соответствующие большому отношению анодного и управляющего токов, что указывает на существование дополнительного принципиального ограничения на практически достижимый коэффициент запирания.

5. Установлена связь параметров "двумерного" токового шнура, возникающего и результате неустойчивости однородного сжатия инфекционного канала, с потенциалом затгара и параметрами структура .

6. Показано, что при выключении единичного элемента мощного тиристора током затвора может иметь мосто новый для тирисп)|>ов тип неустойчивости токороспродоления - неустойчивость Тьюринга. Возникновение данной неустойчивости в сильноточных режимах ни -ключония связано с тем, что при больших плотностях тока плазма в

толще структуры прибора играет роль внутренней распределенной нагрузки, обеспечиг-.зя дополнительную свободу для расслоения тока. Построена теория расслоения тока, описывающая неустойчивость в рамках представлений об активаторно-ингибиторнкх системах с пространственно разделешшми областями активации и ингибкции типа "триггерный слоЯ-рэспределенная нагрузка".

7. Показано, что при возникновении в тиристорной системе неустойчивости Тьюринга нарастает неоднородная флуктуация, длина волны которой близка к толщине п-базы структуры. Характерные времена развития неустойчивости составляют доли микросекунд. Расслоение тока имеет место при положительном дифференциальном сопротивлении системы и создает условия для формирования пространственно-периодической системы контрастных токовых страт.

8. Построена теория доменов сильного поля с биполярным током, возникающих в области обратносмещенного кремниевого р+пп+-перэхода. Теория последовательно учитывает заряд свободных носителей и зависимости подвижностей носителей от напряженности электрического поля. Показано, что в слэбодегированной п-области перехода могут иметь место шесть типое качественно различных стационарных полевых распределений, дано их аналитическое описание. Построена классификация доменных форм, связывающая тип полевого распределения с величиной и составом протекающего тока.

9. Рассчитана падающая ветвь ВАХ тиристорной системы при больших токах и напряжениях, отвечающая состояниям с расслоением рабочего пространства на домен сильного поля и плазменный резервуар. Показано, что при увеличении тока может иметь место смена типа полевого распределения.

10. Описаны нестационарные домены сильного поля, фронты которых перемещается автомодельно, и рассчитаны токи перезарядки коллекторной области, связанные с быстрым перемещением грялшцы между областью пространственного заряда и плазмой.

- 1U -

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин, The Effect of Distributed Gate Control on Current Filamentation in Thyristors - Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР N 1489, Ленинград 1990 ( принято к публикации журналом Solld-State Electronics).

2. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин. Спонтанное шнурование тока в полупроводниковой S-системе с нелокальной поперечной связью -Микроэлектроника, т.21, в.З, 1992.

3. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин Спонтанное шнурование тока в запираемом тиристоре - Радиотехника и электроника, т.37,в.5, 1992.

4. А.М.Минарский, П.Б.Родин . Influence of Open Boundaries on Dlaslpatlve Structures in One-Component Reaction-Diffusion System - Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР N 1437, Ленинград, 1990.

5. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин. On Periodic Concentration Distributions of a Semiconductor Plasma - Solid-State Electronics, v.33,No3,pp.387-388,1990.

G. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин. Механизм пространственно-периодического расслоения тока в тиристоре - Письма в КТФ.тЛЗ, B.I3,с.89-93,1990.

7. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин Типы полевых доменов в коллекторах биполярных переключателей - Радиотехника и электроника,

т.35, в.6, с.1336-1339, 1990,

8. А.В.Горбатюк, П.Б.Родин Типы полевых доменов с током в коллекторах мощных биполярных переключателей . Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе N 1276, Ленинград,1988.

ЛИТЕРАТУРА

. Варламов И.В..Осипов В.В. Шнурование тока в рпрп-структурах //Физика и техника полупроводников. 1969. Т.З. N.7. С.950-958.

!. Варламов И.В., Осицов В.В., Полторацкий Е.А. Исследование шнурования тока в рпрп-структурах // Физика и техника полупроводников. 1969. Т.З. N.8. C.II62-II68.

!. Осипов В.В., Холоднов В.А. Явление изотермического шнурования тока при инжекционном пробое полупроводниковых структур //Микроэлектроника. 1973. Т.2. В.6. С.529-547.

I. Кернер B.C., Осипов В.В. Автосолитоны: Локализованные сильно-неравновесные области в однородных диссипативныг структурах. - М.: Наука. 1991. 200 с.

1. Дьяконов М.И., Левшштейн М.Е. Теория распространения включенного состояния в тиристоре //Физика и техника полупроводников. 1978. Т.12. N.4. С.729-741.

Mnatsakanov T.T., Rostovtsev I.L., Philatov N.I. Investigation of the Effect of Nonlinear Physical Phenomena on Charge Carrier Transport In Semiconductor Devices. // Solid-State Electronics. 1987. V.30. N6. P.1162-1168.

'. Горбатюк A.B. Динамика и устойчивость быстрых регенеративных процессов в структурах мощных тиристоров - Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоф$е АН СССР N 962. Ленинград,1985.

I. Горбатюк A.B., Линийчук И.А.. Свирин A.C. Пространственно-периодическое разрушение тиристора в режиме динамической перегрузки // Письма в Журнал технической физики. 1939. Т.IS. В.6. С.42-45.

РТП ШЯФ,эак.411,тирЛ00,уч.-изд.л.0,8; 15/У-1992г. Бесплатно