Теория и моделирование биполярных полупроводниковых переключателей силовой микроэлектроники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ГУСИН Дмитрий Вадимович

Теория и моделирование биполярных полупроводниковых переключателей силовой микроэлектроники

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

с 4 ОКТ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005052598

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном политехническом университете и в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе А. В. Горбатюк

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник ФТИ им. А. Ф. Иоффе К. Д. Цэндин

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, начальник отдела ФГУП "Всероссийский электротехнический

институт им. В. И. Ленина" А. С. Кюрегян

Ведущая организация - федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится «_18_»_октября_2012 г. в _12_ час. _00_ мин.

на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 при ФТИ им. А. Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «_10_»_сентября_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сильноточная полупроводниковая электроника в настоящее время обеспечивает преобразование более половины всей вырабатываемой в промышленно развитых странах электроэнергии. Ключевыми компонентами всех современных преобразовательных устройств являются мощные полупроводниковые приборы. Основные требования, предъявляемые к ним, заключаются в способности пропускать большие токи (десятки и сотни ампер на один прибор) при минимальном падении напряжения, блокировать высокие напряжения (несколько киловольт) в запертом состоянии с минимальными токами утечки и осуществлять управляемую коммутацию с как можно меньшими потерями энергии.

В наибольшей степени перечисленным требованиям удовлетворяют новые приборы транзисторного и тиристорного типов, производимые на основе гибридных полупроводниковых технологий - биполярных и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В настоящее время они активно внедряются в силовую электротехнику для частотного преобразования электроэнергии. Интегральные структуры (чипы) таких приборов имеют рабочую площадь от долей до единиц см2 и содержат большое число (102-105) почти одинаковых элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади чипа (с шагом 10-20 мкм). Верхний предел плотности коммутируемой мощности для приборов типовых конструкций на сегодня близок к Ртш = 150-200 кВт/см2.

Актуальными задачами дальнейшего совершенствования биполярных переключателей являются повышение максимальной коммутируемой мощности, а также расширение области их безопасной работы (ОБР) по токам и напряжениям [1*]. Физические механизмы, ограничивающие ОБР, включают в себя целый ряд существенно нелинейных эффектов - электрический пробой, пространственная неустойчивость распределения тока, его сосредоточение па малых участках рабочей площади и т. д. В условиях неизбежного статистического разброса параметров (например, времен жизни носителей) между ячейками реальной приборной структуры и неравномерного размещения элементов распределенного затвора на ее рабочей площади эти эффекты характеризуются выраженной поперечной неоднородностью и становятся доминирующими в развитии аварийных сценариев переходного процесса выключения.

Улучшение характеристик биполярных переключающих приборов сопряжено с максимальным использованием физических свойств материалов и режимов функционирования, основанных на инжекционных процессах в условиях сильных электрических полей ~ (1-2)-105 В/см и высоких плотностей токов ~ 100 А/см2. Закономерности развития таких процессов и свойственные им неустойчивости представляют существенный интерес для физики полупроводников с фундаментальной точки зрения. Их теоретическое понимание требуется

и для решения актуальной проблемы определения количественных границ ОБР при разработке новых приборных структур. Без адекватных теоретических представлений невозможно эффективно планировать полномасштабные численные и натурные эксперименты и интерпретировать их результаты, физически обосновывать выбор структур и режимов, указывать направления их дальнейшей оптимизации. Существующие приближенные аналитические модели [2*,3*] не обеспечивают удовлетворительного решения таких задач для современных интегральных конструкций приборов с неизбежно присутствующими технологическими и конструктивными несовершенствами. Неполный характер носят и сведения о влиянии последних на ограничения ОБР в различных режимах управления затвором, реализуемых в биполярных переключателях. Таким образом, развитие теоретического базиса мощной полупроводниковой электроники представляется актуальным направлением в физике полупроводников и полупроводниковых приборов. В целом, при очевидной невозможности построения общей замкнутой аналитической теории, охватывающей все типы приборных структур и режимов их работы, получение исчерпывающей информации о механизмах ограничений ОБР обеспечивается только совместным использованием экспериментальных, теоретических и основанных па численном моделировании исследовательских методов.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании механизмов электрической перегрузки современных мощных биполярных переключающих приборов и определении границ областей их безопасной работы, обусловленных этими механизмами.

Для достижения поставленной цели решался следующий комплекс задач:

■ уточнение свойств исследуемых приборов силовой микроэлектроники - биполярных полупроводниковых переключателей с распределенными микрозатворами (БПМЗ) - как класса управляемых распределенных систем с ин-жекционной модуляцией проводимости и выявление общих закономерностей переходных процессов в таких системах;

■ анализ начальной стадии динамического лавинного пробоя (ДЛП) при выключении по затвору и определение границ ОБР, обусловленных вхождением в ДЛП;

■ разработка обобщенной нестационарной модели запирания биполярного переключателя с технологическими неоднородностями параметров структуры и конструктивно неэквивалентным расположением управляемых ячеек в его интегральном чипе;

■ определение ограничений по рабочей частоте переключения приборов и предложение возможных способов их расширения;

■ проверка адекватности разработанной теории при помощи средств численного моделирования с имитационной полнотой описания электрофизических процессов в приборных структурах;

■ исследование и сравнительный анализ реализуемых режимов запирания биполярных переключателей на примере интегрального тиристора с внешним полевым управлением и доминирующих механизмов ограничения ОБР в каждом из режимов.

Научная новизна работы обусловлена созданием оригинального комплекса теоретических моделей механизмов электрической перегрузки биполярных переключателей, приводящей к аварийной локализации тока на стадии выключения по затвору. В этих моделях впервые согласованно учтены два нелинейных эффекта: зависимость инжекционной электронной составляющей тока в полевом домене от экстракционной дырочной компоненты через локальное смещение катодного эмиттера и возникновение генерационного электронного тока в при коллекторном слое лавинного умножения. В совокупности оба этих эффекта играют критическую роль в развитии опасных локализаций тока в процессе выключения.

В диссертационной работе впервые проведена классификация аварийных сценариев запирания в интегральных приборных структурах с конструктивными и технологическими несовершенствами различных масштабов на основе разработанной обобщенной аналитической модели. Установлены ограничения по предельному коммутируемому току в каскодном режиме запирания, вызванные ранее не наблюдавшимся эффектом взаимодействия ячеек через распределенный электрод катода и сильно зависящим от пространственного масштаба конструктивной неоднородности.

Научная и практическая значимость. С использованием построенного в работе теоретического аппарата указаны пути повышения плотности коммутируемой мощности и рабочей частоты переключения путем выбора приборных структур, предусматривающих выведение основных носителей из базы при выключении по затвору. Разработана методология нахождения количественных границ ОБР биполярного переключателя с различными типами песовершснств приборной структуры. Выполнено исследование эффектов динамической локализации тока в условиях лавинного пробоя и регенеративного отпирания управляемого эмиттера, на основании результатов которого обоснованы практические рекомендации по выбору режима управления затвором интегрального тиристора. С помощью разработанного расчетно-теоретического базиса оценена эффективность методов повышения коммутируемого тока тиристорных чипов и нового класса силовых переключающих модулей на их основе.

Расчеты статических и динамических характеристик встречно-параллельного диода в силовом модуле и нахождение ограничений по коммутируемому току интегрального тиристорного чипа были использованы при подготовке производства силовых полупроводниковых модулей с полевым управлением в ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и могут применяться также на других предприятиях электронной промышленности. Результаты соответст-

вующих разделов диссертационной работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР, выполненной в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Область безопасной работы биполярного переключателя по отношению к началу динамического лавинного пробоя имеет наиболее широкие границы по коммутируемому току для таких структур с буферными слоями, при выключении которых из слаболегированной базы экстрагируются основные носители с меньшими коэффициентами ударной ионизации.

2. В структурах с буферными слоями, выключаемых в условиях экстракции основных носителей из слаболегированной базы, величина переходных тепловых потерь ниже по сравнению со структурами, выключаемыми в условиях экстракции неосновных носителей. Относительное различие плотности энергии потерь для указанных типов приборных структур возрастает с увеличением легирования базы.

3. Эффекты перераспределения и локализации тока в пространственно-неоднородной структуре биполярного переключателя с технологическим разбросом параметров могут быть адекватно описаны путем представления ее в виде связанных по напряжению подсистем неодинаковой рабочей площади с различающимися параметрами управляемых ячеек и их электрических связей с внешними выводами интегрального чипа.

4. Ограничение области безопасной работы интегрального тиристора с неидеально-идентичными управляемыми ячейками, запираемого путем шунтирования эмиттеров по внешней управляющей цепи, определяется:

4.1. Со стороны низких напряжений - невозможностью перевода всех управляемых ячеек в режим отсечки инжекции непосредственно в момент включения шунтирующей цепи;

4.2. Со стороны высоких напряжений - эффектом регенеративного включения катодного эмиттера малой группы управляемых ячеек, инициируемым в процессе ее запирания в условиях динамического лавинного пробоя.

5. Для безопасной реализации каскодного режима выключения интегрального тиристора величина обратного смещения управляемого эмиттерного перехода в подсистеме с наибольшей рабочей площадью, определяемая эффективным сопротивлением распределенных электродов затвора и масштабным фактором отношения площадей подсистем, не должна достигать напряжения пробоя этого перехода.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющих основу диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: международной зимней школе ФТИ им. А. Ф. Иоффе по физике полупроводников (Зелеиогорск, С.-Петербург, Россия, 2009 г.), Международной конференции-семнпаре по микро- и нанотехнологиям и электронным приборам ЕОМ'2011 (Эрлагол, республика Алтай, Россия, 2011 г.), Международной научно-практической конференции Неделя науки СПбГПУ» (С.Петербург, Россия, 2011 г.), XIX Уральской международной зимней школе но физике полупроводников и1\У8РВ-2012 (Екатеринбург - Новоуральск, Россия, 2012 г.), а также на конкурсе научных работ Отделения твердотельной электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе (2010 г.) и научных семинарах в Санкт-петербургском государственном политехническом университете и Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести публикациях, в том числе, в пяти статьях в журналах из утвержденного ВАК Ми-нобрнауки России Перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в одном сборнике трудов международной конференции.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 175 страниц текста, включая 73 рисунка, 6 таблиц и библиографический список из 132 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность направления и темы выполненных исследований, сформулированы цель и основные задачи работы, показаны научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов, приведены научные положения, выносимые на защиту, перечислены основные публикации автора по теме работы.

Первая глава работы посвящена обзору литературы по теме диссертации, уточнению задач исследования и планированию работы по их решению. Современные интегральные биполярные переключающие приборы [4*], такие как биполярные транзисторы с изолированными затворами, тиристоры с МДП-затворами и запираемые тиристоры различных конструкций, объединены в общий класс БПМЗ (§ 1.1) на основе выявленных универсальных механизмов управления проводимостью во всех перечисленных типах приборов. Структура управляемой ячейки БПМЗ содержит биполярную часть транзисторного или тирнсториого типов и примыкающий к ней затвор, управляющий токами ин-

жекции электронов 1с и экстракции дырок /с и, тем самым, инжекционной модуляцией проводимости биполярной части прибора. Сделанное обобщение предполагает и проводимый далее анализ фундаментальных ограничений ОБР (§ 1.2), свойственных всем представителям класса БПМЗ с последующим более детальным рассмотрением интересующих частных случаев [1*,5*]. Значительное внимание при этом уделено неустойчивому поведению инжекционных систем (§ 1.3) и неоднородностям концентраций носителей и плотности тока (вызванных статистическим поперечным разбросом параметров структур, дискретностью управляющей подсистемы и неоднородностями ее управляющих воздействий), способных развиваться в опасные локализации тока и тепла.

В § 1.4 рассмотрены и критически оценены результаты исследований по проблеме ДЛП (см. ссылки в [4*]), полученные па основе упрощенных моделей (позволяющих, например, аналитически оценить [1*,6*] величину Р,шч, ограниченную началом пробоя), численных и натурных экспериментов [7*]. Изложена общая схема организации полномасштабного численного эксперимента (§ 1.5) на основе иерархии уравнений: от фундаментальной системы для потенциала и концентраций носителей в геометрии реальной структуры до уравнений, моделирующих работу прибора в конкретной цепи. В диссертации рассматриваются случаи простейшей цепи с омической нагрузкой и эквивалентной схемы инвертора с индуктивной нагрузкой.

В конце главы отмечены недостатки численного моделирования как самостоятельного инструмента решения задач данной работы и необходимость коренного совершенствования расчетно-теорстического базиса мощной полупроводниковой электроники. План последовательного решения поставленных во введении задач (§ 1.6), основанного на новых обобщенных аналитических моделях и численных расчетах, завершает первую главу диссертации.

Вторая глава посвящена исследованию переходных процессов в БПМЗ на основе одномерных аналитических моделей.

Эффект динамического пробоя обусловливает фундаментальное физическое ограничение по коммутируемому току и мощности для всех инжекционных приборов - БПМЗ и диодов. На начальной стадии пробоя, когда генерируемые при лавинном умпожении заряды еще малы на фоне суммы зарядов ионов примеси в базе и носителей, выводимых током экстракции, уже возможно развитие быстронарастающих опасных отклонений [7*] от однородного распределения тока. Сформулированный в § 2.1 критерий начала ДЛП позволил установить приближенные количественные ориентиры в отношении границ ОБР. Он представляет собой условие перехода от убывания со временем суммарной (включающей и лавинную составляющую) плотности тока ^ в плоскости максимального поля к ее возрастанию в некоторый момент времени на стадии выключения по затвору. Вычисление величины ^ производилось с помощью уравнения Пуассона для области объемного заряда (003) в приближении

насыщенного дрейфа и интегральных представлений для генерационных компонент токов электронов и дырок. Таким образом, без решения двумерной нестационарной задачи стало возможным находить критические комбинации начальной плотности тока /0) и блокируемого напряжения источника 11!,, соответствующие вхождению в динамический пробой для четырех возможных вариантов построения многослойных структур биполярных переключателей по типу проводимости слаболегированной базы и расположению затвора. Установлено, что для концентраций легирования базы N0 > 4,5-1012 см"3 варианты кремниевых структур, в которых при выключении экстрагируются неосновные носители, характеризуются меньшей величиной Рша, чем тс, где экстрагируются основные носители. Так, при Л^о = 2,25-1013 см"3 в случае экстракции электронов изр0-базы Ртах составляет ~ 100 кВт/см2 (при экстракции дырок из «»-базы это значение возрастает до 290 кВт/см"). Однако при реализации условий экстракции основных носителей предел Ртах значительно увеличивается, в частности, для /;'--»-»о-/;-»'-структуры с анодным затвором при легировании 2,5-1013 см"3 Рпт ~ ~ 810 кВт/см", а для /;-/?'-структуры при том же легировании - 980

кВт/см2. При сравнимых концентрациях подвижных носителей и легирующей примеси в базе условие начала пробоя сильно зависит от типа носителей (основные или неосновные). При снижении Л^ доминирующим в определении границ ОБР становится соотношение коэффициентов ударной ионизации [8*]. Для кремниевых структур наибольший критический ток - в варианте с экстракцией дырок из ро-базы, а для карбид-кремниевых (4Н-81С) - в варианте экстракции электронов, независимо от того, выступают ли они основными или неосновными носителями.

В § 2.2 построена обобщенная аналитическая одномерная нестационарная модель обратного восстановления биполярных переключателей класса БПМЗ в условиях биполярного состава тока в ООЗ (с вкладами экстрагируемых дырок, а также электронов благодаря ударной ионизации и инжекции) и ненасыщенного дрейфа носителей при различных соотношениях концентраций связанных и свободных зарядов обоих знаков. Данная модель является базовой для дальнейшего исследования переходных процессов в отношении динамических потерь и описания эффектов динамической локализации (ДЛ) тока в следующей главе работы. Состояние прямой проводимости биполярного переключателя, задающее начальные условия для нестационарной задачи выключения, рассчитано предварительно в рамках одномерной модели двойной инжекции.

Исследованию возможности повышения рабочей частоты биполярных переключающих приборов посвящен § 2.3. Предлагаемое решение состоит в замене типа проводимости слаболегированной базы так, чтобы при выключении из нее через затвор выводились основные носители. Данное предложение обосновано количественным расчетом энергии переходных потерь за операцию выключения и предельной рабочей частоты (рис. 1) для двух вариантов кремни-

евых структур - стандартной п-р-щ-п'~р+ с катодным затвором и с альтернативной >С— -р'-ра~п-р+ с анодным затвором. Наиболее сильное различие потерь имеет место при высоком уровне легирования Л'о- В частности, для прибора с легированием Л'о = 2-Ю13 см"3 (рассчитанного на напряжение ит = 5 кВ) потери за одну операцию при смене легирования базы с а- на ¿»-тип снижаются с 200 до 90 мДж/см2, а рабочая частота переключения /,тах соответственно повышается с 0,5 кГц (кривая 5) до 1,0 кГц (кривая З'). При усилении легирования до М> = 5-1013 см"3 (со снижением и„, до 2 кВ) частота/П1ах увеличивается с 1,75 до 4,5 кГц. Дополнительное преимущество альтернативной структуры по сравнению с исходной, следующее из выполненного выше сравнительного анализа условий начала ДЛП, состоит в расширении границ ОБР по коммутируемому току.

Основными задачами третьей главы диссертации являются построение обобщенной теоретической модели процесса неоднородного запирания биполярного переключателя с технологическими и конструктивными несовершенствами структуры, исследование механизмов ДЛ тока в ней и нахождение ограничений ОБР по коммутируемому току. После формулировки в § 3.1 этих задач обсуждаются существующие экспериментальные методы обнаружения и наблюдения ДЛ тока, отмечается их ограниченная применимость к современным приборам типа БПМЗ, после чего приводятся экспериментальные переходные характеристики (§ 3.2) выключения интегрального тиристорного чипа [5*] с внешним полевым управлением - ключевого компонента разрабатываемого в ФТИ им. А. Ф. Иоффе нового типа силового переключающего модуля. Данные соответствуют двум начальным токам (./0) = 144 и 156 А/см2) при одном и том же рабочем напряжении (1,5 кВ) в схеме с омической нагрузкой и характеризуют два качественно различных случая - полное запирание всех тиристорных ячеек чипа при шунтировании их эмиттерных элементов внешним сильноточным МДП-транзистором и инициированное конструктивной неоднородностью системы возникновение ДЛ тока на малом участке рабочей площади чипа, приводящее к его разрушению и выходу из строя. Результаты этих экспериментов и выполнявшихся ранее численных расчетов [1*,7*] мотивируют постановку теоретической задачи о неоднородном запирании тока в распределенно-

Д'. ю" см''

Рис. 1 — Блокируемое напряжение £/,.,(/), плотность потерь за операцию выключения WOFF (2, 2') и рабочая частота /„,ах (3, 3') в зависимости от концентрации No и типа легирования базы (2, 3 для л-типа, 2', 3' для />типа)

управляемой структуре БПМЗ (§ 3.3). Рассмотрена иерархия (п. 3.3.1) физических масштабов в реальных приборных структурах и сформулировано представление всего ансамбля управляемых ячеек интегрального чипа в виде нескольких конкурирующих групп - подсистем - ячеек, в пределах каждой группы считаемых идентичными по своим технологическим параметрам и геометрическим размерам. Эти подсистемы содержат различные количества ячеек и отличаются друг от друга:

■ технологическими параметрами, т. е. временами жизни носителей, толщинами слоев и концентрациями примесей в них,

■ параметрами электрических связей ячеек с выводами интегрального чипа как целого.

Для приближенного количественного рассмотрения эффектов локализации тока в неидеальной структуре переключателя разбиение всего ансамбля ячеек (полное их число ~ 105) выполнялось на две подсистемы - основную 50 и «возмущенную» (рис. 2, на вставке) с числом ячеек N1 и рабочей площадью А\, ъ N раз меньшими соответствующих величин для 5Ь- При таком разбиении малая подсистема моделировала группу ячеек с наибольшими отклонениями параметров от своих средних значений. Порядок величины отношения площадей подсистем, или масштабного фактора N, определяется типом и происхождением неоднородности (разброс времен жизни, инжектирующих способностей эмиттеров, неравные сопротивления участков распределенного затвора и т. д.) и в данной работе задавался в пределах 1 < N < 104. Предварительный качественный анализ фазовых траекторий процессов переключения параллельно соединенных бистабильных подсистем проведен в п. 3.3.2.

Основные соотношения разработанной аналитической модели неоднородного запирания тока приводятся в § 3.4. Сначала рассмотрено включенное состояние (н. 3.4.1) двух параллельных групп ячеек 5о и 51 и получена нелинейная система из 6 уравнений относительно плотностей анодного тока Ji,"¡ и параметров распределений плазмы в них при заданном полном токе /'"'. Уравнения из § 2.2, описывающие динамику процесса выключения в каждой из подсистем, дополнены условием равенства их напряжений анод-катод, а также

Рис. 2 — Распределения электрического поля п концентраций плазмы и биполярный состав токов в пц-базах управляемых ячеек подсистем 5Ь и 5" (на вставке) на стадии запирания

соотношением = A1(NJ0 + JI)/(N+1) для мгновенных плотностей токов J0,i и интегрального анодного тока всего чипа. Эволюция распределений поля и плазмы и состав токов показаны на рис. 2, где нижние индексы 0 и 1 обозначают соответственно подсистемы чипа Sq и S.

Полная система уравнений модели включает:

- связи плотности тока J(t) с напряжением анод-катод UA(t) и текущим положением границы полевого домена F, выраженные в параметрической форме q=c,(J,E,„) и Uл = Ua(J,E,„), где Е„, - напряженность поля в плоскости коллектора;

- соотношение J„( = J„c+J'"=a^Jc{Uit,для плотности электронного тока

в F с инжекционной J „с и лавинной J" компонентами, соответственно зависящими от смещения управляемого эмиттера (/„+_,, в данной подсистеме (здесь а\ - коэффициент передачи по току катодного я+-/;-и-транзистора) и распределения поля Е(у) через ионизационный интеграл /"';

-уравнения dt]/dt = f(rj,J,Jni,dJ/dt,dJu,/dt) и 17 - £ = qDh р1"' (tj)Д y't'J - Jit,), описывающие взаимосвязанное движение лидирующей /;(0 и отстающей t,(t) границ переходного слоя D между областями поля F и квазинейтралыюй плазмы Р, распределение концентрации р(у) в которой совпадает со стационарным профилем ^t°)(>') = /'mmch[(>'-7n,in)/z'/,] исходного проводящего состояния (здесьутш и Ртт ~ координата минимума распределения и минимальная концентрация, q -заряд электрона, D/, и Ц - коэффициент и длина амбиполяриой диффузии в базе, у',' - доля электронной дрейфовой компоненты тока в плазме);

- связи полного анодного тока 1а и напряжения UA для конкретного типа цепи.

Соотношения компонент плотности тока на управляемой (катодной) границе слаболегированной базы для подсистем Sq и S? в общем случае различны, как и локальные потенциалы их электродов катода и затвора. Связи этих потенциалов с токами электродов определяются конструкцией и режимом работы затвора (п. 3.4.2). Наибольшее внимание уделено случаю интегрального тиристора, управление инжекцией и экстракцией носителей во всех ячейках которого осуществляется внешним быстродействующим сильноточным МДП-транзистором. Этот случай интересен и с теоретической, и с практической точек зрения, поскольку он наглядно иллюстрирует взаимодействие подсистем ячеек через распределенные электроды катода и затвора и возможное динамическое перераспределение тока между ними.

Потенциалы контактов к ¿»-базам K(ffl, FG| относительно общего вывода катода С, неодинаковые даже при условии идентичности параметров всех ячеек, содержат несколько вкладов - напряжения исток-сток на открытом МДП-транзисторе; падения на эффективном сопротивлении электрода затвора Rg\ для малой подсистемы ячеек (см. рис. 2, на вставке) при протекании через него базового тока IG| этой подсистемы; запирающего напряжения от внешнего источ-

пика Уех, < 0, подключаемого к затвору в. Локальные смещения эмиттерных «+-/>-переходов в каждой ячейке содержат также падения напряжения на ¿»-базе при протекании по ней экстракционного тока. Полные смещения эмиттеров задают плотности инжекционных токов катодов в каждой подсистеме согласно формуле Шокли, в которую входят плотности токов насыщения для конкретных эмиттерных переходов.

В § 3.5 перечислены уравнения модели процесса выключения двух связанных подсистем (в общей сложности 12 уравнений - обыкновенных дифференциальных первого порядка и трансцендентных алгебраических) и приведены числовые значения всех параметров. Решение системы выполнялось по методу Ныотона с переменным шагом по времени.

Результаты применения построенной модели к конкретной структуре интегрального тиристора, запираемого посредством шунтирования катодных эмиттеров, представлены в § 3.6. Выбранные для расчетов параметры структуры со статическим блокируемым напряжением ~ 5 кВ соответствовали экспериментальным образцам. Для чипа с реальными размерами 7*7 мм дана оценка сопротивления Н„\ ~ 5 мОм-см2 (считалось, что периферийные ячейки занимают 10 % от всей рабочей площади чипа = 0,45 см2, таким образом, здесь N « 10; значение /?я] приведено к площади подсистемы 5"). Рассчитанные переходные характеристики номинального режима работы прибора с идентичными ячейками для двух вариантов силовых схем представлены на рис. 3, а, б.

Время, мке

Время, мке б

Рис. 3 — Плотности анодных токов (/, 2), напряжения на затворах (3, 4) двух подсистем ячеек и анодное напряжение (5) в номинальном режиме запирания (50 Л/см2, 2,5 кВ) для двух эквивалентных силовых схем (на вставках) - с омической нагрузкой (а) и инвертора с индуктивной нагрузкой (б)

При заданных параметрах структуры чипа механизм ограничения предельного коммутируемого тока в цепи с омической нагрузкой определяется обратной связью зависящей от локального смещения эмиттера инжекционной компоненты тока У„с с током JG выводимых через ¿>-базу и цепь затвора дырок,

возникающей непосредственно после включения в момент ? = 0 шунтирующей цепи С-С. Катодный эмиттер ячейки в малой подсистеме не может быть переведен в режим отсечки инжекции, если начальная плотность анодного тока превышает критическую величину •/„,«-, и поэтому при ! = 0 эмиттер в данной подсистеме не запирается, в отличие от основной подсистемы 5о. В результате полный анодный ток прибора локализуется на малой площади подсистемы Б1. При повышенном времени жизни носителей в малой подсистеме (относительный разброс Дт/А/, = 10 %) ограничение по коммутируемому току (рис. 4, а), как и в предыдущем случае, определяется условием одновременного достижения отсечки инжекции в обеих подсистемах в момент / = 0.

по 105 100 95 90 85 80 75 70

; ;-.-ДгД, = 0

! ! - А-- Ау'г,,= 10%

1 • ■—1

| А А- - к- - ->----+----*--+- 4= - *

■ 1 1 ! \

0,5 1,0

1,5 2,0 и.» кВ

2,5 3,0 3,3

100 95 90 85 80 75 70 65 60

- ■ -- • • 0

-4 10%

V "А- 20%

*

{

¡,¡,1.1,1

0,5

1.0

1,5 2,0 и„, кВ б

2,5 3,0 3,3

Рис. 4 — Границы ОБР при идентичных параметрах ячеек (Дт;,/т/, = 0) и при наличии разброса времен жизни между двумя подсистемами ячеек в 10 % и 20 % для двух эквивалентных силовых схем - с омической нагрузкой (а) и инвертора с индуктивной нагрузкой (б)

В случае цепи инвертора с индуктивной нагрузкой с теми же значениями тока и рабочего напряжения наблюдались иные, более сложные типы поведения исследуемой системы. Со стороны низких напряжений в ограничении ОБР преобладает тот же механизм обратной связи, что и в рассмотренном выше случае омической нагрузки, приводя к таким же значениям /„,«.. С увеличением рабочего напряжения (рис. 4, б) механизм изменяется. ДЛ тока происходит не непосредственно после начала запирания, а через время ~ 0,5-1 мкс, когда начинают проявляться эффекты динамического пробоя. В структуре, имеющей еще и разброс времен жизни (с фактором N = 10), неоднородность распределения тока, первоначально присутствовавшая благодаря повышенному времени жизни в У на фоне средней величины Х/,а = 15 мкс, в условиях ДЛП развивается в его локализацию. Она, в свою очередь, инициирует регенеративное включение инжекции электронов из катодного эмиттера подсистемы У и потерю управления ею по затвору. Этот механизм и приводит к заметному падению /„,«■ с ростом напряжения в интервале 0,75 кВ < £/„ < 2,5 кВ.

Четвертая глава диссертации посвящена численному моделированию эффектов электрической перегрузки биполярных переключателей. Моделирование осуществлялось с помощью программных пакетов ATLAS [9*] и Scntau-rus Device [10*] с имитационным уровнем описания всей совокупности электрофизических процессов в полупроводниковой структуре (в том числе, при высоких концентрациях носителей и примесных центров, в сильных электрических полях) и электрических связей прибора с элементами внешней цепи. Структуры управляемых ячеек в каждой из подсистем описаны технологически заданными двумерными распределениями концентраций легирующих примесей. Подробно описана постановка задачи (§4.1) расчета стационарных состояний, процессов включения и выключения на примере интегрального тиристора для обоих рассматриваемых в работе вариантов силовой цепи. В варианте цепи инвертора с индуктивной нагрузкой исследовалось функционирование тиристора совместно с быстродействующим встречно-параллельным диодом. При оптимизации его статических и динамических характеристик показано (§ 4.2), что диод с высоким легированием анодного и катодного эмиттеров не может использоваться в схеме преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией из-за большого времени восстановления (при больших временах жизни т/,) и резкого обрыва тока (при малых т/,). Обоснована необходимость уменьшения концентрации инжектированной плазмы у анода, например, путем спижения инжектирующей способности анодного эмиттера (уровень легирования //-слоя у поверхности структуры кремниевого диода должен составлять 510'-МО" 1 см" ). Для обеспечения «мягкости» процесса восстановления, наибольшего быстродействия и в то же время минимизации суммарных энергетических потерь значение т¡, в базе может выбираться в диапазоне 6-9 мкс.

Способы управления затвором сильно влияют на физическую картину транспортных процессов в полупроводниковых структурах ячеек, а значит, и на выходные характеристики прибора в целом. Сравнительному анализу ограничений ОБР по коммутируемому току для трех возможных режимов запирания интегрального тиристора с учетом конечных сопротивлений распределенных электродов затвора посвящен § 4.3. При шунтировании эмиттеров по внешней цепи возможно перераспределение тока по структуре и его локализация в группе периферийных ячеек (с более высокими последовательными сопротивлениями шунтирующей цепи) с выходом прибора из строя. В режиме с внешним источником запирающего напряжения Vcxt прикладываемое к эмиттерному переходу обратное смещение должно быть ниже напряжения его лавинного пробоя (~ 10-20 В). Для обеспечения однородной модуляции проводимости во всем чипе необходимо, чтобы локальное смещение эмиттера при протекании тока по каналу экстракции ни в одной ячейке не достигало напряжения отсечки инжекции. При исследовании каскодного режима запирания (в котором полный ток катода прерывается МДП-ключом и коммутируется в шунтирующую цепь

затвора) выявлена существенная роль взаимодействия ячеек через распределенный электрод катода, отсоединенный от внешней цепи и находящийся под «плавающим» потенциалом. Обнаружена возможность локализации тока при значительно меньшем последовательном сопротивлении (соответствующем падению напряжения 20-25 мВ при протекании тока ./¡"'л, по цепи затвора подсистемы 5"), по сравнению с режимом шунтирования эмиттеров. Степень локализации тока и переходных тепловых потерь снижается при уменьшении отношения площадей подсистем N.

Предельные значения плотностей выключаемого тока, определяемые свойствами затвора и режимом запирания, для случая цепи с омической нагрузкой представлены в таблице для двух значений напряжения источника ии.

и«, кВ J„,cc, А/см2

Шунтирование эмиттеров Отрицательное запирающее напряжение Каскодное выключение

3,0 80 1050 950

1,5 80 1160 1040

При плотностях тока в сотни А/см2 становится выраженным вклад ударной ионизации в балансе токов в области Г и возникают ДЛ тока [7*] в условиях развитого лавинного пробоя, отсутствовавшие при выключении омической нагрузки при = 50 А/см" и = 2,5 кВ. Влияние динамического пробоя ослабляется при сниженном напряжении ((/„ = 1,5 кВ). Найденные величины J,mr характеризуют возможность безопасного выключения токов, значительно превышающих номинальное значение. Запас по току, отсутствующий в режиме управляемого шунтирования эмиттеров, в двух альтернативных режимах составляет приблизительно 1 порядок величины. При этом в каскодном режиме не требуется дополнительный источник напряжения и, кроме того, реализуются насыщающиеся прямые выходные характеристики (что существенно с точки зрения защиты от последствий коротких замыканий).

Разработанный в главе 3 аппарат обеспечивает хорошее количественное согласование результатов с данными имитационного моделирования (кривые «Теория» и «ТСАО» на рис. 3, а, б). Теория адекватно предсказывает все тенденции механизмов неоднородного запирания тока в интегральной структуре биполярного переключателя.

В заключении перечисляются основные результаты работы. 1. Проведен сравнительный анализ всевозможных вариантов структур биполярных переключателей с микрозатворами в отношении предельной коммутируемой мощности и границ ОБР, обусловленных вхождением в ДЛП на стадии выключения. Исследовано влияние соотношения типов затвора и экстрагируемых носителей и соотношения их коэффициентов ударной ионизации в струк-

турах на основе Si и 4H-SiC. Для кремния предельная плотность коммутируемой при выключении мощности может быть повышена в 10 раз в случае реализации экстракции основных носителей, и при том менее активных при ударной ионизации, по сравнению со случаем экстракции неосновных носителей. Для карбида кремния при таком выборе типа структуры Ртах достигает значений ~ 200 МВт/см", играющих роль верхнего теоретического предела плотности коммутируемой мощности по отношению к ДЛП.

2. Построена обобщенная модель процесса запирания биполярного переключателя с распределенными микрозатворами с учетом биполярного состава тока в области объемного заряда с электронными вкладами токов ударной ионизации иинжекции.

3. Теоретически обоснован путь к снижению величины переходных потерь, основанный на переходе к альтернативной структуре с экстракцией основных носителей при выключении.

4. Предложена универсальная модель с аналитической постановкой задачи, объясняющая роли технологических и конструктивных несовершенств реальных структур в ограничении их ОБР. Установлены критерии регенеративного включения управляемых эмиттеров, возникновения динамического лавинного пробоя и других эффектов, сопровождающихся локализацией тока и способных привести к выходу прибора из строя.

5. Показаны пути повышения однородности модуляции проводимости в биполярных переключателях с большой рабочей площадью посредством компенсации влияния сопротивлений распределенных электродов для периферийных групп управляемых ячеек.

6. Исследованы статические и динамические характеристики быстродействующего встречно-параллельного диода, предназначенного для работы в инверторе напряжения.

7. Проанализированы номинальный рабочий и семейство аварийных сценариев выключения неидеального тиристорного микрочипа в трех режимах запирания - управляемом шунтировании эмиттеров внешним сильноточным МДП-транзистором, приложении отрицательного смещения к затвору от внешнего источника и каскодном прерывании тока катода.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Биполярные переключатели с распределенными микрозатворами. Условия вхождения в динамический пробой при выключении // ЖТФ. - 2009. - Т. 79. - Вып. 10. - С. 80-88.

2. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Динамическая локализация тока при выключении мощных биполярных переключателей с микрозатворами // ФТП. -2010. - Т. 44.-Вып. 11.-С. 1577-1583.

3. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. О возможности увеличения рабочей частоты мощных биполярных переключателей с распределенными микрозатворами // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - Вып. 20. - С. 35^12.

4. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин, Б. В. Иванов. Статические и динамические характеристики встречно-параллельного диода в составе переключающего силового модуля // Электротехника. - 2010. - В. 11. - С. 53-61.

5. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Эффекты локализации тока в мощных биполярных переключателях с микрозатворами при неидеальной связи управляемых элементов // ЖТФ. - 2012. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 57-65.

6. D. V. Gusin, А. V. Gorbatyuk, and I. V. Grekhov. Dynamic current localization in power bipolar switches with impcrfect interconnections of controlled cells // Proceedings of the 12th International Conference and Seminar on Mi-cro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2011 (Erlagol, Russia, 2011).— ISBN 978-5-7782-1708-9.-P. 132-136.

Список цитируемой литературы

1 * Y. Liu, В. You, and A. Q. Huang. Reverse-bias safe operation area of large area MCT and IGBT // Solid-State Electronics. - 2003. - Vol. 47. - P. 1-14.

2* X. Li, A. Q. Huang, and Y. Li. Analytical GTO turn-off model under snubbcrless turn-off condition // Microelectronics Journal. - 2003. - Vol. 34. - P. 297-304.

3* А. В. Горбатюк. Аналитическая модель запираемого тиристора с немонотонным оттеснением остаточной плазмы // Письма в ЖТФ. - 2008. - Т. 34. -Вып. 5. - С. 54-62.

4* Semiconductor power devices: physics, characteristics, reliability / J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann [et al.]. - Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011.-608 p.

5* И. В. Грехов, Т. Т. Мнацакапов, С. Н. Юрков [и др.]. Статические и динамические характеристики мощного интегрального тиристора с внешним полевым управлением // ЖТФ. - 2005. - Т. 75. - Вып. 7. - С. 80-87.

6* Т. Ogura, Н. Ninomiya, К. Sugiyama [et al.]. Turn-off switching analysis considering dynamic avalanche effect for low turn-off loss high-voltage IGBTs // IEEE Trans. Electron Devices. - 2004. - Vol. 51. - No. 4. - P. 629-635.

7* J. Oetjen, R. Jungblut, U. Kuhlmann [et al.]. Current filamentation in bipolar power devices during dynamic avalanche breakdown // Solid-State Electronics. -2000.-Vol. 44.-P. 117-123.

8* T. Hatakeyama, T. Watanabe, T. Shinohe [et al.]. Impact ionization coefficients of 4H silicon carbide // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. - No. 8. - P. 1380-1382.

9* ATLAS User's Manual. Device simulation software. - SILVACO, Inc., 2010. -1262 p.

10* Sentaurus Device User Guide. Ver. D-2010.03. - Synopsys, Inc., 2010. - 1328 p.

Подписано в печать 23.07.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9524Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Введение.

Актуальность темы.

Цель и задачи диссертационной работы.

Объект и методологическая база исследования.

Научная новизна.

Научная и практическая значимость.

Научные положения, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Публикации, включенные в диссертационную работу.

Структура и объем работы.

Глава 1 Современные проблемы мощной полупроводниковой электроники.

1.1 Биполярные переключатели с распределенными микрозатворами.

1.2 Области безопасной работы.

1.3 Неоднородности динамических переменных в сильноточных инжекционных структурах.

1.4 Динамический лавинный пробой.

1.5 Методы исследования механизмов электрической перегрузки.

1.6 Уточнение задач диссертации и планирование их решения.

Глава 2 Одномерные аналитические модели переходных процессов.

2.1 Оценочное определение предельной коммутируемой мощности,. ограниченной началом динамического пробоя.

2.1.1 Возможные варианты структур БПМЗ.

2.1.2 Основные соотношения модели начальной стадии пробоя.

2.1.3 Анализ ограничений по коммутируемой мощности.

2.2 Обобщенная аналитическая модель процесса запирания биполярного переключателя.

2.2.1 Начальное состояние прямой проводимости.

2.2.2 Динамика перехода в блокирующее состояние.

2.2.2.1 Предварительные замечания.

2.2.2.2 Область объемного заряда.

2.2.2.3 Динамика профиля электронно-дырочной плазмы.

2.2.2.4 Взаимодействие биполярного переключателя с внешней цепью.

2.2.3 О самоподдерживающемся лавинном пробое.

2.3 Увеличение рабочей частоты биполярных переключателей.

2.4 Выводы по главе 2.

Глава 3 Динамическое перераспределение тока.

3.1 Введение.

3.2 Экспериментальные наблюдения.

3.3 Постановка задачи о динамической локализации тока.

3.3.1 Иерархия физических масштабов.

3.3.2 Распределение тока между параллельными бистабильными подсистемами.

3.4 Структура и основные соотношения модели.

3.4.1 Начальное состояние прямой проводимости.

3.4.2 Динамика процесса неоднородного выключения.

3.4.2.1 Эволюция распределений поля и плазмы.

3.4.2.2 Взаимодействие подсистем ячеек между собой через распределенный затвор.

3.5 Подготовка исходных данных и процедура выполнения расчетов.

3.6 Полученные результаты и их обсуждение.

3.6.1 Область безопасной работы НМТ в цепи с омической нагрузкой.

3.6.2 Область безопасной работы НМТ в цепи инвертора напряжения.

3.7 Выводы по главе 3.

Глава 4 Имитационное моделирование переходных процессов при выходе за границы области безопасной работы.

4.1 Задачи, решаемые в настоящей главе.

4.2 Статические и динамические характеристики встречно-параллельного диода в составе переключающего силового модуля.

4.2.1 Специфические требования к встречно-параллельным диодам.

4.2.2 Исходные данные и методы расчетов.

4.2.3 Базовый вариант диодной структуры.

4.2.4 Влияние легирования и времени жизни на характеристики диода.

4.2.5 Основные результаты.

4.3 Механизмы неоднородного запирания тока и предельные ограничения по электрической перегрузке в зависимости от режима управления затвором.

4.3.1 Геометрии приборных структур и предварительный анализ.

4.3.2 Режим выключения шунтированием эмиттеров.

4.3.3 Режим выключения с внешним источником запирающего напряжения.

4.3.4 Каскодный режим выключения.

4.3.5 Сравнительный анализ по предельному коммутируемому току.

4.4 Выводы по главе 4.

Актуальность темы

Развитие технологий, обеспечивающих максимальную эффективность передачи и использования электроэнергии, основано на все более широком внедрении электронных преобразовательных устройств во многие области современной техники. Такие устройства в настоящее время обеспечивают преобразование не менее половины всей вырабатываемой в промышленно развитых странах электроэнергии, в частности, выпрямление и инвертирование напряжения в промышленных и тяговых частотных электроприводах, компенсацию реактивной мощности и другие задачи в управляемых системах электропередачи переменного тока, соединение энергосистем между собой при помощи вставок и линий электропередач постоянного тока. Диапазон мощностей, охватываемых преобразовательной техникой, перекрывает более 6 порядков величины. Для маломощных электроприводов и вторичных источников питания характерны мощности в единицы кВт, тяговые и крупномасштабные промышленные электроприводы имеют мощности в единицы и десятки МВт, а мощность преобразовательных установок на объектах электроэнергетики достигает нескольких ГВт.

Определяющую роль в эффективности преобразования электроэнергии играют параметры мощных полупроводниковых приборов - ключевых компонентов всех современных преобразовательных устройств. Основные требования, предъявляемые к ним, заключаются в способности пропускать большие токи (десятки и сотни ампер на один прибор) при минимальном падении напряжения, блокировать высокие напряжения (несколько киловольт) в запертом состоянии с минимальными токами утечки и осуществлять управляемую коммутацию с как можно меньшими потерями энергии. Выполнение последнего условия позволяет повысить рабочую частоту преобразователя и сократить его габариты и стоимость, в частности, за счет уменьшения номиналов присутствующих в схеме пассивных компонентов.

В наибольшей степени перечисленным требованиям удовлетворяют новые приборы транзисторного и тиристорного типов, производимые на основе гибридных полупроводниковых технологий - биполярных и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). В настоящее время они активно внедряются в силовую электротехнику для частотного преобразования электроэнергии. Интегральные структуры (чипы) таких приборов имеют рабочую площадь

2 2 5 от долей до единиц см и содержат большое число (10 -10 ) почти одинаковых элементарных ячеек, распределенных по площади чипа с поперечным шагом 10-20 мкм. Верхний предел плотности коммутируемой мощности для приборов типовых конструкций на сегодня составляет 150-200 кВт/см2.

Актуальными задачами дальнейшего совершенствования биполярных переключателей являются повышение максимальной коммутируемой мощности, а также расширение области их безопасной работы (ОБР) по токам и напряжениям. Физические механизмы, ограничивающие ОБР, включают в себя целый ряд существенно нелинейных эффектов - электрический пробой, пространственная неустойчивость распределения тока, его сосредоточение на малых участках рабочей площади и т. д. В условиях неизбежного статистического разброса параметров (например, времен жизни носителей) между ячейками реальной приборной структуры и неравномерного размещения элементов распределенного затвора на ее рабочей площади эти эффекты характеризуются выраженной поперечной неоднородностью и становятся доминирующими в развитии аварийных сценариев переходного процесса выключения.

Улучшение характеристик биполярных переключающих приборов сопряжено с максимальным использованием физических свойств материалов и режимов функционирования, основанных на инжекционных процессах в условиях сильных электрических полей г Л (1-2)-10 В/см и высоких плотностей токов -100 А/см . Закономерности развития таких процессов и свойственные им неустойчивости представляют существенный интерес для физики полупроводников с фундаментальной точки зрения. Их теоретическое понимание требуется и для решения актуальной проблемы определения количественных границ ОБР при разработке новых приборных структур. Без адекватных теоретических представлений невозможно эффективно планировать полномасштабные численные и натурные эксперименты и интерпретировать их результаты, физически обосновывать выбор структур и режимов, указывать направления их дальнейшей оптимизации. Существующие приближенные аналитические модели не обеспечивают удовлетворительного решения таких задач для современных интегральных конструкций приборов с неизбежно присутствующими технологическими и конструктивными несовершенствами. Неполный характер носят и сведения о влиянии последних на ограничения ОБР в различных режимах управления затвором, реализуемых в биполярных переключателях. Таким образом, развитие теоретического базиса мощной полупроводниковой электроники представляется актуальным направлением в физике полупроводников и полупроводниковых приборов. В целом, при очевидной невозможности построения общей замкнутой аналитической теории, охватывающей все типы приборных структур и режимов их работы, получение исчерпывающей информации о механизмах ограничений ОБР обеспечивается только совместным использованием экспериментальных, теоретических и основанных на численном моделировании исследовательских методов.

Цель и задачи диссертационной работы

Основной целью диссертационной работы является исследование механизмов электрической перегрузки современных мощных биполярных переключающих приборов и определение границ их безопасной работы, обусловленных этими механизмами.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: представление исследуемых приборов силовой микроэлектроники - биполярных полупроводниковых переключателей с распределенными микрозатворами (БПМЗ) - как класса управляемых распределенных динамических систем с инжекционной модуляцией проводимости и выявление общих закономерностей переходных процессов в таких системах; анализ начальной стадии динамического лавинного пробоя (ДЛП) при выключении по затвору и определение границ ОБР, обусловленных вхождением в ДЛП; разработка обобщенной нестационарной модели запирания биполярного переключателя с технологическими неоднородностями параметров структуры и конструктивно неэквивалентным расположением управляемых ячеек в его интегральном чипе; нахождение ограничений по рабочей частоте переключения исследуемых приборов и предложение возможных способов их расширения; проверка адекватности разработанной теории при помощи средств численного моделирования с имитационной полнотой описания электрофизических процессов в приборных структурах; исследование и сравнительный анализ реализуемых режимов запирания биполярного переключателя на примере интегрального тиристора с внешним полевым управлением и доминирующих механизмов ограничения ОБР в каждом из режимов.

Объект и методологическая база исследования

Объектом исследования настоящей работы является комплекс физических процессов, происходящих в БПМЗ и определяющих границы их ОБР в условиях электрической перегрузки при реализации различных режимов управления затвором и функционирования внешних цепей.

Поэтапное решение поставленных задач основывается на теоретическом базисе физики полупроводников и полупроводниковых приборов, привлечении методов математической физики и электротехники, использовании алгоритмов вычислительной математики.

План работы предусматривает построение и использование одномерных аналитических моделей, квазиодномерных приближенных аналитико-численных моделей, а также выполнение полномасштабных численных экспериментов, основанных на применении современных программных средств двумерного и трехмерного имитационного компьютерного моделирования.

Надежность и достоверность результатов достигаются адекватным выбором фундаментального теоретического базиса, логической корректностью и целостностью построений, использованием средств имитационного моделирования с апробированными наборами физических моделей и вычислительных алгоритмов, совместным применением различных взаимодополняющих исследовательских стратегий и взаимной проверкой адекватности получаемых результатов, согласованием выводов, полученных из теоретических моделей, с выводами численных экспериментов и данными измерений.

Научная новизна

Научная новизна работы обусловлена созданием оригинального комплекса теоретических моделей механизмов электрической перегрузки биполярных переключателей, приводящей к аварийной локализации тока на стадии выключения по затвору. В этих моделях впервые согласованно учтены два нелинейных эффекта: зависимость инжекционной электронной составляющей тока в полевом домене от экстракционной дырочной компоненты через локальное смещение катодного эмиттера и возникновение генерационного электронного тока в приколлекторном слое лавинного умножения. В совокупности оба этих эффекта играют критическую роль в развитии опасных локализаций тока в процессе выключения.

В диссертационной работе впервые проведена классификация аварийных сценариев запирания в интегральных приборных структурах с конструктивными и технологическими несовершенствами различных масштабов на основе разработанной обобщенной аналитической модели. Установлены ограничения по предельному коммутируемому току в каскодном режиме запирания, вызванные ранее не наблюдавшимся эффектом взаимодействия ячеек через распределенный электрод катода и сильно зависящим от пространственного масштаба конструктивной неоднородности.

Научная и практическая значимость

С использованием построенного в работе теоретического аппарата указаны пути повышения плотности коммутируемой мощности и рабочей частоты переключения путем выбора приборных структур, предусматривающих выведение основных носителей из базы при выключении по затвору. Разработана методология нахождения количественных границ ОБР биполярного переключателя с различными типами несовершенств приборной структуры. Выполнено исследование эффектов динамической локализации тока в условиях лавинного пробоя и регенеративного отпирания управляемого эмиттера, на основании результатов которого обоснованы практические рекомендации по выбору режима управления затвором интегрального тиристора. С помощью разработанного расчетно-теоретического базиса оценена эффективность методов повышения коммутируемого тока тиристорных чипов и нового класса силовых переключающих модулей на их основе.

Расчеты статических и динамических характеристик встречно-параллельного диода в силовом модуле и нахождение ограничений по коммутируемому току интегрального тири-сторного чипа были использованы при подготовке производства силовых полупроводниковых модулей с полевым управлением в ЗАО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж) и могут применяться также на других предприятиях электронной промышленности. Результаты соответствующих разделов диссертационной работы вошли в научно-технические отчеты по НИОКР, выполненной в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Научные положения, выносимые на защиту

1. Область безопасной работы биполярного переключателя по отношению к началу динамического лавинного пробоя имеет наиболее широкие границы по коммутируемому току для таких структур с буферными слоями, при выключении которых из слаболегированной базы экстрагируются основные носители с меньшими коэффициентами ударной ионизации.

2. В структурах с буферными слоями, выключаемых в условиях экстракции основных носителей из слаболегированной базы, величина переходных тепловых потерь ниже по сравнению со структурами, выключаемыми в условиях экстракции неосновных носителей. Относительное различие плотности энергии потерь для указанных типов приборных структур возрастает с увеличением легирования базы.

3. Эффекты перераспределения и локализации тока в пространственно-неоднородной структуре биполярного переключателя с технологическим разбросом параметров могут быть адекватно описаны путем представления ее в виде связанных по напряжению подсистем неодинаковой рабочей площади с различающимися параметрами управляемых ячеек и их электрических связей с внешними выводами интегрального чипа.

4. Ограничение области безопасной работы интегрального тиристора с неидеально-идентичными управляемыми ячейками, запираемого путем шунтирования эмиттеров по внешней управляющей цепи, определяется:

4.1. Со стороны низких напряжений - невозможностью перевода всех управляемых ячеек в режим отсечки инжекции непосредственно в момент включения шунтирующей цепи;

4.2. Со стороны высоких напряжений - эффектом регенеративного включения катодного эмиттера малой группы управляемых ячеек, инициируемым в процессе ее запирания в условиях динамического лавинного пробоя.

5. Для безопасной реализации каскодного режима выключения интегрального тиристора величина обратного смещения управляемого эмиттерного перехода в подсистеме с наибольшей рабочей площадью, определяемая эффективным сопротивлением распределенных электродов затвора и масштабным фактором отношения площадей подсистем, не должна достигать напряжения пробоя этого перехода.

Апробация работы

Результаты исследований, составляющих основу диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: международной зимней школе ФТИ им. А. Ф. Иоффе по физике полупроводников (Зеленогорск, С.-Петербург, Россия, 2009 г.), Международной конференции-семинаре по микро- и нанотехнологиям и электронным приборам ЕБМ'2011 (Эрлагол, республика Алтай, Россия, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «ХЬ Неделя науки СПбГПУ» (С.-Петербург, Россия, 2011 г.), XIX Уральской международной зимней школе по физике полупроводников 1Л\¥8Р8-2012 (Екатеринбург - Новоуральск, Россия, 2012 г.), а также на конкурсе научных работ Отделения твердотельной электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе (2010 г.) и научных семинарах в Санкт-петербургском государственном политехническом университете и Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Публикации, включенные в диссертационную работу

Основное содержание диссертации изложено в шести публикациях, в том числе, в пяти статьях в журналах из утвержденного ВАК Минобрнауки России Перечня российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

1. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Биполярные переключатели с распределенными микрозатворами. Условия вхождения в динамический пробой при выключении // Журнал технической физики. - 2009. - Т. 79. - Вып. 10. - С. 80-88.

2. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Динамическая локализация тока при выключении мощных биполярных переключателей с микрозатворами // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 44. - Вып. 11. - С. 1577-1583.

3. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. О возможности увеличения рабочей частоты мощных биполярных переключателей с распределенными микрозатворами // Письма в Журнал технической физики. - 2010. - Т. 36. - Вып. 20. - С. 35^42.

4. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин, Б. В. Иванов. Статические и динамические характеристики встречно-параллельного диода в составе переключающего силового модуля // Электротехника. - 2010. - В. 11. - С. 53-61.

5. А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин. Эффекты локализации тока в мощных биполярных переключателях с микрозатворами при неидеальной связи управляемых элементов // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 57-65.

6. D. V. Gusin, А. V. Gorbatyuk, and I. V. Grekhov. Dynamic current localization in power bipolar switches with imperfect interconnections of controlled cells // Proceedings of the 12th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2011 (Erlagol, Russia, 2011). - ISBN 978-5-7782-1708-9. - P. 132-136.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных

4.4 Выводы по главе 4

В начале данной главы было исследовано влияние технологических параметров диодных структур на их статические и переходные характеристики. Основной вывод этого анализа состоит в том, что снижение эффективности инжекции анодного эмиттера либо создание профильного распределения времени жизни в базе с минимумом у //-«-перехода необходимы для удовлетворения противоречивых требований к быстродействующим встречно-параллельным диодам.

Далее с помощью имитационного численного моделирования были исследованы номинальный рабочий и семейство аварийных сценариев выключения при различных параметрах неидеального тиристорного микрочипа в трех режимах запирания - управляемом шунтировании эмиттеров дискретным сильноточным МДП-транзистором, приложении отрицательного смещения к затвору от внешнего источника и каскодном прерывании тока катода. При анализе результатов моделирования были подтверждены выводы предыдущей главы о критическом влиянии последовательных сопротивлений в базовых цепях ячеек на характеристики процесса выключения, а также обнаружен ряд новых, не наблюдавшихся ранее эффектов взаимодействия подсистем через электрод катода при каскодном запирании.

Сильное влияние неидеальных связей ячеек по затвору для рассмотренного представителя класса БГТМЗ обусловлено использованием в нем общих для всех ячеек внешних управляющих ключевых элементов. При шунтировании эмиттеров возможны неодинаковые Pix смещения в различных ячейках, в результате чего не достигается одновременное прерывание инжекции во всех приборных ячейках тиристорного чипа. Для каскодного режима запирания обнаружена критическая роль отношения площадей составляющих прибор подсистем в реализации возможных сценариев переходного процесса. При этом локализация тока возникает при значительно меньшем последовательном сопротивлении (соответствующем падению напряжения 20-25 мВ при протекании по цепи затвора полного анодного тока включенного состояния), по сравнению с режимом «короткого замыкания» эмиттеров. Степень локализации тока и переходных тепловых потерь увеличивается при снижении относительной доли площади ячеек, наиболее удаленных от проводящих базовых шин, в рабочей площади всей остальной части структуры So.

Конструктивная неоднородность приборного чипа, более адекватно учитываемая при выборе масштабного фактора//» 10, обусловливает ограничение плотности коммутируемого тока на уровне 950 А/см2 в каскодном режиме и 1050 А/см2 в режиме с отрицательным смещением затвора при рабочем напряжении 3 кВ. Найденные верхние границы по току характеризуют величины запаса по токовой перегрузке, т. е. возможность безопасного выключения токов, значительно превышающих номинальную величину. Этот запас, отсутствующий в режиме управляемого шунтирования эмиттеров, в двух альтернативных режимах составляет приблизительно 1 порядок по току.

При этом в каскодном режиме не требуется дополнительный источник напряжения и, кроме того, реализуются насыщающиеся выходные характеристики включенного состояния. Последнее обстоятельство является существенным с точки зрения защиты биполярного переключателя от последствий коротких замыканий в силовой цепи.

Специально проведенные серии численных экспериментов показали, что разработанный в предыдущей главе аналитический аппарат, несмотря на некоторые количественные расхождения с данными имитационного моделирования по степени локализации тока, адекватно предсказывает все тенденции исследуемого механизма неоднородного запирания НМТ. В случае необходимости учета более сложных типов технологических и конструкционных неоднородностей с различными масштабами, структура теоретической модели допускает введение более чем двух параллельных подсистем управляемых ячеек. При дальнейшей модификации модели она может также применяться и к другим приборам класса двухопера-ционных биполярных переключателей, в том числе к биполярным транзисторам с изолированными затворами и тиристорам с индивидуальным полевым управлением каждой элементарной ячейкой. В их интегральных схемах, хотя и отсутствуют сильноточные распределенные электроды, имеется система шин МДП-затвора, и неравенство эффективных параметров управляющей цепи для различных ячеек способно негативно отразиться на синхронной модуляции проводимости во всем чипе. Данный эффект может быть количественно исследован с помощью разработанных в данной диссертации подходов.

На основании исследований в данной главе сформулируем следующее положение. 1. Для безопасной реализации каскодного режима выключения интегрального тиристора величина обратного смещения управляемого эмиттерного перехода в подсистеме с наибольшей рабочей площадью, определяемая эффективным сопротивлением распределенных электродов затвора и масштабным фактором отношения площадей подсистем, не должна достигать напряжения пробоя этого перехода.

Результаты двух последних глав обосновывают второе положение.

2. Эффекты перераспределения и локализации тока в пространственно-неоднородной структуре биполярного переключателя с технологическими неоднородностями параметров могут быть адекватно описаны путем представления ее в виде связанных по напряжению подсистем неодинаковой рабочей площади с различающимися параметрами управляемых ячеек и их электрических связей с внешними выводами интегрального чипа.

Применение разработанной модели возможно и в качестве самостоятельного исследовательского инструмента, и как средства планирования полномасштабных численных и натурных экспериментов, а также для адекватной интерпретации их результатов.

Результаты настоящей главы диссертации опубликованы в работах [122,123,127,132].

Заключение

Ниже перечисляются основные результаты диссертационной работы, свидетельствующие о полноте решения поставленных во введении задач.

1. Построена компактная аналитическая модель, позволившая провести сравнительный анализ всевозможных вариантов структур биполярных переключателей с микрозатворами в отношении предельной коммутируемой мощности и границ области их безопасной работы, обусловленных вхождением в динамический лавинный пробой на стадии выключения. Исследовано влияние двух факторов на положение границ ОБР - соотношения типов экстрагируемых носителей и затвора и соотношения коэффициентов ударной ионизации носителей в структурах на основе 81 и 4Н-8Ю.

Выполненный анализ показал, что для кремниевых структур предельная плотность коммутируемой при выключении мощности может быть повышена в 10 раз в случае реализации экстракции основных носителей, и при том менее активных при ударной ионизации, по сравнению со случаем структуры с экстракцией неосновных носителей. Для карбида кремния при таком выборе типа структуры плотность мощности достигает значений ~ 200 МВт/см2, играющих роль верхнего теоретического предела плотности коммутируемой мощности по отношению к ДЛП.

2. Построена обобщенная модель процесса запирания биполярного переключателя с распределенными микрозатворами. Ее отличительная особенность состоит в совместном учете биполярного состава тока в области объемного заряда (с электронными вкладами токов ударной ионизации и инжекции) и эволюции формы распределения электрического поля в ней (в том числе, в условиях ненасыщенного дрейфа носителей) при различных соотношениях концентраций связанных и свободных зарядов обоих знаков. Модель допускает описание динамики выключения прибора в силовой цепи любого типа.

3. Теоретически обоснован выбор типа структуры биполярного переключателя с точки зрения минимизации переходных тепловых потерь за операцию выключения и указан путь к снижению переходных потерь, основанный на переходе к новому типу структуры с экстракцией основных носителей при выключении.

4. Предложена универсальная модель с аналитической постановкой задачи, объясняющая роли технологических и конструктивных несовершенств реальных структур в ограничении области их безопасной работы. На примере тиристорного микрочипа с внешним полевым управлением найдены количественные границы ОБР по выключаемому току. Установлены критерии регенеративного включения управляемых эмиттеров, возникновения динамического лавинного пробоя и других эффектов, сопровождающихся локализацией тока и способных привести к выходу прибора из строя. Теоретические предсказания ограничений ОБР и аварийных сценариев, связанных с выходом за эти ограничения, подтверждаются данными имитационного компьютерного моделирования.

5. Показаны пути повышения однородности модуляции проводимости в биполярных переключателях с большой рабочей площадью посредством компенсации влияния сопротивлений распределенных электродов для периферийных групп управляемых ячеек. При такой компенсации предельная плотность коммутируемого тока может быть повышена на « 19 % при увеличении удельных статических потерь лишь на 0,3 % и переходных потерь на 1,3 %. Данный прием реализуем технологически и может быть рекомендован для подавления эффектов грубых конструктивных поперечных неоднородностей в интегральных чипах, а также неидеальных электрических связей их управляемых ячеек.

6. Исследованы статические и динамические характеристики быстродействующего диода, предназначенного для работы совместно с мощным биполярным переключателем (интегральным тиристором или биполярным транзистором с изолированным затвором) в инверторе напряжения. Обоснована необходимость уменьшения концентрации инжектированной плазмы у анода, например, путем снижения инжектирующей способности анодного эмиттера (уровень легированияр-слоя у поверхности структуры должен составлять 5Т01э-1Т016 см"3). Для обеспечения «мягкости» процесса восстановления, наибольшего быстродействия и в то же время минимизации суммарных энергетических потерь время жизни высокого уровня инжекции в базе кремниевого диода может выбираться в диапазоне 6-9 мкс.

7. При помощи имитационного численного моделирования проанализированы номинальный рабочий и семейство аварийных сценариев выключения при различных параметрах неидеального тиристорного микрочипа в трех режимах запирания - управляемом шунтировании эмиттеров внешним сильноточным МДП-транзистором, приложении отрицательного смещения к затвору от внешнего источника и каскодном прерывании тока катода. Найденные верхние границы по выключаемому току в каскодном режиме и при отрицательном запирающем потенциале характеризуют величины запаса по токовой перегрузке, т. е. возможность безопасного выключения токов, значительно превышающих номинальную величину. Этот запас, отсутствующий в режиме управляемого шунтирования эмиттеров, в двух альтернативных режимах составляет 1 порядок по току.

Для каскодного режима запирания обнаружена критическая роль отношения площадей составляющих прибор подсистем в реализации сценариев переходного процесса. Показана возможность опасной локализации тока, относительная величина которой снижается

162 при уменьшении отношения площадей основной и «возмущенной» подсистем интегрального тиристорного чипа.

Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект 07-08-00689-а, «Теоретическое исследование и моделирование номинальных и предаварийных режимов сильноточных полупроводниковых приборов нового поколения»), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Госконтракт № 9578р/14221 от 01.08.2011 г., проект «Разработка расчетно-теоретического базиса для создания новых биполярных переключающих приборов интегральной силовой электроники») и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (Госконтракт № 02.526.12.6016 от 28.09.2009 г., тема «Разработка конструкции и технологии производства нового энергосберегающего прибора силовой электроники - интегрального тиристорного модуля с полевым управлением»).

Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Андрею Васильевичу Горбатюку и заведующему лабораторией Мощных полупроводниковых приборов ФТИ им. А. Ф. Иоффе академику РАН Игорю Всеволодовичу Грехову за неоценимую поддержку и всестороннюю помощь на протяжении всей совместной работы. Автор признателен также заведующему кафедрой твердотельной электроники СПбГПУ доктору физ.-мат. наук, профессору Р. П. Сей-сяну, старшему научному сотруднику ФТИ им. А. Ф. Иоффе, кандидату физ.-мат. наук А. В. Рожкову и доценту кафедры радиотехнической электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) кандидату технических наук Б. В. Иванову.

1. Тучкевич, В. М. Силовая полупроводниковая преобразовательная техника Текст. / В. М. Тучкевич // ФТТ1. 1977. -Т. 11- Вып. 11. - С. 2065-2071.

2. Грехов, И. В. Силовая полупроводниковая электроника и импульсная техника Текст. / И. В. Грехов // Вестник РАН. 2008. - Т. 78. - №2. - С. 106-131.

3. Brown, Е. R. Megawatt solid-state electronics Text. / E. R. Brown // Solid-State Electronics. 1998. - Vol. 42. - P. 2119-2130.

4. Baliga, B. J. Fundamentals of power semiconductor devices Text. / B. J. Baliga. NY: Springer Science + Business Media, LLC, 2008. - 1069 p.

5. Джентри, Ф. E. Управляемые полупроводниковые вентили Текст. / Ф. Е. Джентри, Ф. В. Гутцвиллер, Н. Голоньяк [и др.]. М.: Мир, 1967. - 455 с.

6. Arrillaga, J. Flexible power transmission: the HVDC options Text. / J. Arrillaga, Y. H. Liu, and N. R. Watson. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd, 2007. - 374 p.

7. Lutz, J. Semiconductor power devices: physics, characteristics, reliability Text. / J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann [et al.]. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. - 608 p.

8. Becke, H. W. Power MOSFET with an anode region Text. / H. W. Becke and C. F. Wheatley Jr. // US Patent No. 4,364,073. Dec. 14, 1982. - Filed Mar. 25, 1980.

9. Baliga, B. J. Insulated gate rectifier (IGR): a new power switching device Text. / B. J. Baliga, M. S. Adler, P. V. Gray [et al.] // IEEE IEDM Digest. 1982. - P. 264-267.

10. Huang, S. A dynamic и-buffer insulated gate bipolar transistor Text. / S. Huang, K. Sheng, F. Udrea [et al.] // Solid-State Electronics. 2001. - Vol. 45. - P. 173-182.

11. Huang, S. The injection efficiency controlled IGBT Text. / S. Huang, G. A. J. Amaratunga, and F. Udrea // IEEE Electron Device Lett. 2002. - Vol. 23. - No. 2. - P. 88-90.

12. Yuan, X. On-state analytical modeling of IGBTs with local lifetime control Text. / X. Yuan, F. Udrea L. Coulbeck [et al ] // IEEE Trans. Power Electronics. 2002. - Vol. 17. -No. 5.-P. 815-823.

13. Чернявский, Е В МОП-тиристор перспективный прибор силовой электроники Текст. /ЕВ Чернявский, В П Попов, Ю С Пахмутов [и др ] // Микроэлектроника -2002 -Т 31 -Вып 5 - С 1-6

14. Baliga, В J The MOS-gated emitter switched thynstor Text. / В J Baliga // IEEE Electron Device Lett 1990 - Vol EDL-11 -No 2 -P 75-77

15. Huang, S A comparative investigation of the MCST with MCT and IGBT Text. / S Huang, F Udrea, and G A J Amaratunga // Solid-State Electronics 2003 - Vol 47 - P 1429-1436

16. Temple, V А К MOS-controlled thynstors a new class of power devices Text. / V A К Temple//IEEE Trans Electron Devices - 1986 - Vol 33 -No 10 -P 1609-1618

17. Gruening, H A modern low-loss high turn-off capability GCT gate drive concept Text. / H Gruening and К Koyanagi // Proc European Conf on Power Electronics and Applications (Dresden, Germany, 2005) P 1-10

18. Vellvehi, M Design considerations for 6 5 kV IGBT devices Text. / M Vellvehi, D Flores, X Jorda [et al ]//Microelectronics Journal 2004 - Vol 35 -P 269-275

19. Wolley, E D Gate turn-off in p-n-p-n devices Text. /ED Wolley // IEEE Trans Electron Devices 1966 - Vol ED-13 -P 590-597

20. Дерменжи П Г Силовые запираемые тиристоры за рубежом Текст. / П Г Дерменжи, А И Приходько, В Б Потапчук // Электротехническая промышленность 1987 -Вып 4(14) Серия 05 Полупроводниковые силовые приборы и преобразователи на их основе Обзор информ — С 1-68

21. Грехов, И В Тиристоры, выключаемые током управления Текст. /ИВ Грехов, И А Линийчук Л Энергоатомиздат, 1982 - 96 с

22. Sze, S М Physics of semiconductor devices Text. / S M Sze, Kwok К Ng Third edition - Hoboken, NJ John Wiley & Sons, Ltd, 2007 - 815 p

23. Грехов, И. В. Статические и динамические характеристики мощного интегрального тиристора с внешним полевым управлением Текст. / И. В. Грехов, Т. Т. Мнацаканов, С. Н. Юрков [и др.] // ЖТФ. 2005. - Т. 75. - Вып. 7. - С. 80-87.

24. Грехов, И. В. Исследование статических характеристик и особенностей процесса переключения интегрального тиристора с внешним полевым управлением Текст. / И. В. Грехов, Л. С. Костина, А. В. Рожков [и др.] // ЖТФ. 2008. - Т. 78. - Вып. 12. - С. 7884.

25. Fletcher, R. G. Switching behaviour of GTO cascode switches Text. / R.G. Fletcher // IEEE Industry Applications Conf. Record, 23 IAS Annual Meeting (Minneapolis, USA, 1988). -Vol. 1. P.633-637.

26. Li, Y. Experimental and numerical study of the emitter turn-off thyristor (ETO) Text. / Y. Li, A. Q. Huang, and K. Motto // IEEE Trans. Power Electronics. 2000. - Vol. 15. - No. 3. -P. 561-574.

27. Грехов, И. В. Исследование каскодного режима выключения интегральных тиристоров с внешним полевым управлением Текст. / И. В. Грехов, А. В. Рожков, Л. С. Костина [и др.] // ЖТФ. 2010. - Т. 80. - Вып. 1. - С. 155-158.

28. Baliga, В. J. Advanced high voltage power device concepts Text. / B. J. Baliga. NY: Springer Science + Business Media, LLC, 2011. - 568 p.

29. Weber, A. 10 kV power semiconductors: a breakthrough for 6.9 kV medium voltage drives Text. / A. Weber and S. Eicher // Proc. 14th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD 2002 (Santa Fe, USA, 2002). P. 45-^8.

30. Тучкевич, В. M. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами Текст. / В. М. Тучкевич, И. В. Грехов. — Л.: Наука, 1988. 117 с.

31. Chow, Т. P. High-voltage SiC and GaN power devices Text. / T P. Chow // Microelectronic Engineering. 2006. - Vol. 83. - P. 112-122.

32. Chen, D. Y. RBSOA characterization of GTO devices Text. / D. Y. Chen, G. Carpenter, and F. C. Lee // IEEE Trans. Power Electron. 1994. - Vol. 9. - No. 4. - P. 443-448.

33. Hagino, H. An experimental and numerical study on the forward biased SOA of IGBTs Text. / H. Hagino, J. Yamashita, A. Uenishi [et al ] // IEEE Trans. Electron Devices. -1996. Vol. 43. - No. 3. - P. 490-500.

34. You, B. Theoretical limitation of the RBSOA of MOS-controlled thyristors Text. / B. You and A. Q. Huang // Solid-State Electronics. 1998. - Vol. 42. - P. 785-794.

35. Liu, Y. Reverse-bias safe operation area of large area MCT and IGBT Text. / Y. Liu, B. You, and A. Q. Huang // Solid-State Electronics. 2003. - Vol. 47. - P. 1-14.

36. Power electronics handbook, devices, circuits, and applications Text. / Editor-in-Chief M. H. Rashid. Second edition. - San Diego: Elsevier/Academic Press, 2007. - 1153 p.

37. IGBT Module MBN500H65E2 Preliminary Specification IGBT-SP-09025 R2 Electronic resource. / Official web page Hitachi, Ltd. URL: http://www.hitachi.co.jp/products/ /power/pse/images/pdf/igbt/MBN500H65E2.pdf (access: 17.05.2012).

38. Горбатюк, А. В. Динамика и устойчивость сильноточных инжекционных систем Текст. : дисс. . докт. физ.-мат. наук : 01.04.10 / Горбатюк Андрей Васильевич. -СПб., 2002. 362 с.

39. Sheng, К. Optimum carrier distribution of the IGBT Text. / K. Sheng, F. Udrea, and G. A. J. Amaratunga // Solid-State Electronics. 2000. - Vol. 44. - P. 1573-1583.

40. Oetjen, J. Current filamentation in bipolar power devices during dynamic avalanche breakdown Text. / J. Oetjen, R. Jungblut, U. Kuhlmann [et al.] // Solid-State Electronics. 2000. -Vol. 44.-P. 117-123.

41. Варламов, В. И. Шнурование тока в рпрп-структурах Текст. / В. И. Варламов, В. В. Осипов, Е. А. Полторацкий // ФПГ 1969. - Т. 3. - Вып. 7. - С. 950-958.

42. Брылевский, В. И. Механизм локализации тока в процессе включения субмикросе-кундных модуляторных тиристоров Текст. / В. И. Брылевский, А. Ф. Кардо-Сысоев, М. Е. Левинштейн [и др.] // Письма в ЖТФ. 1982. - Т. 8. - Вып. 21. - С. 1288-1292.

43. Брылевский, В. И. Динамическая локализация тока в переходном процессе включения тиристоров Текст. / В. И. Брылевский, М. Е. Левинштейн, И. Г. Чашников // ЖТФ. -1984. Т. 54. - Вып. 1. - С. 124-130.

44. Кюрегян, А. С. Напряжение лавинного пробоя р-п-переходов на основе Si, Ge, SiC, GaAs, GaP и InP при комнатной температуре Текст. / А. С. Кюрегян, С. Н. Юрков // ФТП. -1989.-Т. 23.-Вып. 10.-С. 1819-1827.

45. Chowdhuri, P. Breakdown of p-n junctions by transient voltages Text. / P. Chowdhuri // Direct Current.- 1965.-Vol. Ю.-No. 3.-P. 131-139.

46. Павлик, В. Я. О лавинной инжекции в процессе обратного восстановления р+-п-п+-структур Текст. / В. Я. Павлик, А. Г. Тандоев // Радиотехника и электроника. 1983. - Т. 28. - Вып. 11. - С. 2290-2292.

47. Wachutka, G. К. Analytical model for the destruction mechanism of GTO-like devices by avalanche injection Text. / G. K. Wachutka // IEEE Trans. Electron Devices. 1991. - Vol. 38.-No. 6.-P. 1516-1523.

48. Lilja, K. Onset of current filamentation in GTO devices Text. / K. Lilja and H. Gruening // Proc. 21st Annual IEEE Power Electronics Specialists Conf. (San Antonio, TX, USA, 1990).-P. 398-406.

49. Jaecklin, A. Scaling laws and performance limitations of power turn-off devices Text. / A. Jaecklin and B. Adam // Proc. 20th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conf. (Milwaukee, WI, USA, 1989). P. 337-342.

50. Кернер, Б. С. Расслоение тока или поля в системах с положительным дифференциальным сопротивлением Текст. / Б. С. Кернер, В. В. Осипов // Письма в ЖЭТФ. 1973. -Т. 18.-Вып. 2.-С. 122-126.

51. Мельникова, Ю. С. О понижении порога неустойчивости однородного лавинного пробоя кремниевых р+-п-переходов Текст. / Ю. С. Мельникова // ФТП. 1990. - Т. 24.-Вып. 1.-С. 66-71.

52. Горбатюк, А. В. Скрытая пространственная неустойчивость тока в мощных биполярных переключателях Текст. / А. В. Горбатюк // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32. - Вып. 23. - С. 1-9.

53. Ohashi, H. A study on GTO turn-off failure mechanism Text. / H. Ohashi and A. Naka-gawa // IEEE EDM Technical Digest. 1981. - P. 414-417.

54. Shimizu, Y. A study on maximum turn-off current of a high-power GTO Text. / Y. Shi-mizu, S. Kimura, H. Kozaka [et al.] // IEEE Trans. Electron Devices. 1999. - Vol. 46. -No. 2.-P. 413-419.

55. Perpica, X. IGBT module failure analysis in railway applications Text. / X. Perpica, J. F. Serviere, X. Jorda [et al.] // Microelectronics Reliability. 2008. - Vol. 48. - P. 1427-1431.

56. Ogura, T. Turn-off switching analysis considering dynamic avalanche effect for low turn-off loss high-voltage IGBTs Text. / T. Ogura, H. Ninomiya, K. Sugiyama [et al.] // IEEE Trans. Electron Devices. 2004. - Vol. 51. - No. 4. - P. 62^-635.

57. Ogura, T. 4.5 kV injection enhanced gate transistors (IEGTs) with high turn-off ruggedness Text. / T. Ogura, H. Ninomiya, K. Sugiyama [et al.] // IEEE Trans. Electron Devices. -2004.-Vol. 51.-No. 4.-P. 636-641.

58. Lefiranc, P. Analysis of the dynamic avalanche of punch through insulated gate bipolar transistor (PT-IGBT) Text. / P. Lefranc, D. Planson, H. Morel [et al.] // Solid-State Electronics. 2009. - Vol. 53. - P. 944-954.

59. Akdag, A. SOA in high power semiconductors Text. / A. Akdag // IEEE Industry Applications Conf. Record, 41st IAS Annual Meeting IAS'96 (Tampa Florida, USA, 2006). Vol. 3.-P. 1473-1477.

60. Патент Российской Федерации на изобретение 2335824 Запираемый тиристор и способ его работы Текст. /ИВ Грехов Опубл 10 10 2008 - Бюл № 28

61. Domey, М Stable dynamic avalanche in Si power diodes Text. / M Domey, В Breitholtz, M Ostling [et al ] // Appl Phys Lett 1999 - Vol 74 - No 21 -P 3170

62. Lutz, J Dynamic avalanche and reliability of high voltage diodes Text. / J Lutz and M Domey // Microelectronics Reliability 2003 - Vol 43 - P 529-536

63. Schlangenotto, H Dynamischer avalanche beim abschalten von GTO-Thynstoren und IGBTs Text. / H Schlangenotto und H Neubrand // Archiv der Elektrotechnik 1989 -Vol 72 -P 113-123

64. Domey, M On the destruction limit of Si power diodes during reverse recovery with dynamic avalanche Text. / M Domey, J Lutz, and D Silber // IEEE Trans Electron Devices -2003 Vol 50 -No 2 - P 486-493

65. Lutz, J The nn+-junction as the key to improved ruggedness and soft recovery of power diodes Text. / J Lutz, R Baburske, M Chen [et al ] // IEEE Trans Electron Devices 2009 -Vol 56 -No 11 -P 2825-2832

66. Lutz, J Dynamic avalanche in bipolar power devices Text. / J Lutz and R Baburske // Microelectronics Reliability -2012 Vol 52 -P 475-481

67. Scharfetter, D L Large-signal analysis of a silicon Read diode oscillator Text. / D L Scharfetter and H К Gummel // IEEE Trans Electron Devices 1969 - Vol ED-16 -No 1 -P 64-77

68. ATLAS User's Manual Device simulation software Text. SILVACO, Inc , 2010 -1262 p

69. Sentaurus Device User Guide Version D-2010 03, March 2010 Text. Synopsys, Inc, 2010 - 1328 p

70. Sheng, К A review of IGBT models Text. / К Sheng, В W Williams, and S J Finney // IEEE Trans Power Electron -2000 Vol 15 -No 6 - P 1250-1266

71. Lorenz, L Fast switching power semiconductor devices and Smart Power IC's An enabling technology for future high efficient electronic system Text. / L Lorenz // Proc Int Symp

72. VLSI Technology Systems and Applications VLSI-TSA (Munich, Germany, 26-28 April 2010) -P 168-170

73. Хакен, Г Синергетика Текст. / Г Хакен Пер с англ под ред Ю JI Климонтовича -М Мир, 1980 -404 с

74. Хакен, Г Синергетика Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах Текст. / Г Хакен Пер с англ под ред Ю JI Климонтовича - М Мир, 1985 -419с

75. Scholl, Е Nonequilibrium phase transitions in semiconductors self-organization induced by generation and recombination processes Text. / E Scholl Berlin Sprmger-Verlag, 1987 -313p

76. Benda, H Reverse recovery processes in silicon power rectifiers Text. / H Benda and E Spenke//Proc IEEE 1967 - Vol 55 -No 8 -P 1331-1354

77. Горбатюк, А В Динамика и устойчивость быстрых регенеративных процессов в структурах мощных тиристоров Текст. / А В Горбатюк // Препринт ФТИ им А Ф Иоффе АН СССР 1985 - № 962 - 60 с

78. Li, X Analytical GTO turn-off model under snubberless turn-off condition Text. /X Li, A Q Huang, and Y Li//Microelectronics Journal -2003 Vol 34 -P 297-304

79. Горбатюк, А В Аналитическая модель запираемого тиристора с немонотонным оттеснением остаточной плазмы Текст. / А В Горбатюк // Письма в ЖТФ 2008 - Т 34 - Вып 5 - С 54-62

80. Горбатюк, А В Биполярные переключатели с распределенными микрозатворами Условия вхождения в динамический пробой при выключении Текст. / А В Горбатюк, И В Грехов, Д В Гусин // ЖТФ -2009 Т 79 - Вып 10 - С 80-88

81. Ryu, S-H 3100V, asymmetrical, gate turn-off (GTO) thynstors in 4H-SiC Text. / S -H Ryu, А К Agarwal, R Singh [et al ] // IEEE Electron Device Lett 2001 - Vol 22 - No 3 -P 127-129

82. Wang, Jun Design and characteiization of high-voltage silicon caibide emitter turn-off thy-nstor Text. / Jun Wang and A Q Huang // IEEE Trans Power Electron 2009 - Vol 24 -No 5 -P 1189-1197

83. Caughey, D M Carrier mobilities in silicon empmcally related to doping and field Text. / D M Caughey and R E Thomas // Proc IEEE 1967 - Vol 55 - No 12 -P 21922193

84. Hatakeyama, T. Impact ionization coefficients of 4H-SiC Text. / T. Hatakeyama, T. Wata-nabe, K. Kojima [et al.] // Materials Science Forum. 2004. - Vol. 457-460. - P. 673-676.

85. Hatakeyama, T. Impact ionization coefficients of 4H silicon carbide Text. / T. Hatakeyama, T. Watanabe, T. Shinohe [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 85. - No. 8. - P. 13801382.

86. Григоренко, В. П. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов Текст. / В. П. Григоренко, П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

87. Feiler, W. Two-dimensional analytical models of the carrier distribution in the on-state of the IGBT Text. / W. Feiler, W. Gerlach, and U. Wiese // Solid-State Electronics. 1995. -Vol. 38.-No. 10.-P. 1781-1790.

88. Fletcher, N. H. The high current limit for semiconductor junction devices Text. / N. H. Fletcher // Proc. IRE. 1957. - Vol. 45. - P. 862-872.

89. Slotboom, J. W. Measurements of bandgap narrowing in Si bipolar transistors Text. / J. W. Slotboom and H. C. de Graaff// Solid-State Electronics. 1976. - Vol. 19. - No. 10. - P. 857-862.

90. Fossum, J. G. Carrier recombination and lifetime in highly doped Silicon Text. / J. G. Fos-sum, R. P. Mertens, D. S. Lee [et al.] // Solid-State Electronics. 1983. - Vol. 26. - No. 6. -P. 569-576.

91. Masetti, G. Modeling of carrier mobility against carrier concentration in Arsenic-, Phosphorus-, and Boron-doped Silicon Text. / G. Masetti, M. Severi, and S. Solmi // IEEE Trans. Electron Devices. 1983. - Vol. ED-30. - No. 7. - P. 764-769.

92. Горбатюк, А. В. О возможности снижения динамических потерь при выключении мощных биполярных переключателей с распределенными микрозатворами Текст. / А. В. Горбатюк, И. В. Грехов // Письма в ЖТФ. 2008. - Т. 34. - Вып. 10. - С. 61-68.

93. Feiler, W On the turn-off behaviour of the NPT-IGBT under clamped inductive load Text. / W Feiler, W Gerlach, and U Wiese // Solid-State Electronics 1996 - Vol 39 - No 1 -P 59-67

94. Горбатюк, А В Типы полевых доменов в коллекторах биполярных переключателей Текст. / А В Горбатюк, П Б Родин // Радиотехника и электроника 1990 - Т 35 -В 6 - С 1336-1339

95. Горбатюк, А В Динамическая локализация тока при выключении мощных биполярных переключателей с микрозатворами Текст. / А В Горбатюк, И В Грехов, Д В Гусин//ФТП -2010 -Т 44 Вып 11 -С 1577-1583

96. Rahimo, М Novel enhanced-planar IGBT technology rated up to 6 5kV for lower losses and higher SOA capability Text. / M Rahimo, A Kopta, and S binder // Proc 18th Int Symp on Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD 2006 (Napoli, Italy, 2006) P 1-4

97. Горбатюк, ABO возможности увеличения рабочей частоты мощных биполярных переключателей с распределенными микрозатворами Текст. / А В Горбатюк, И В Грехов, Д В Гусин//Письма в ЖТФ -2010 -Т 36 -Вып 20 С 35-42

98. Lu, Н Design for reliability of power electronics modules Text. / H Lu, С Bailey, and С Yin//Microelectronics Reliability -2009 Vol 49 -P 1250-1255

99. Аязян, P Э О влиянии соотношения между анодным и базовым током на однородность процесса выключения в запираемом тиристоре Текст. / Р Э Аязян, И В Грехов, И А Линийчук // Радиотехника и электроника 1975 - Т 20 - Вып 10 - С 2225-2227

100. Ohashi, Н A study of GTO turn-off failure mechanism Text. / H Ohashi and A Nakagawa //Proc Int Electron Devices Meeting IEDM 1981 (Washington, USA, 1981) -P 414-417

101. Nakagawa, A A study of GTO turn-off failure mechanism a time- and temperature-dependent ID analysis Text. / A Nakagawa and H Ohashi // IEEE Trans Electron Devices - 1984 - Vol ED-31 -No 3 -P 273-279

102. Riccio, M Analysis of large area trench-IGBT current distribution under UIS test with the aid of lock-in thermography Text. / M Riccio, L Rossi, A Irace [et al ] // Microelectronics Reliability -2010 -Vol 50 -P 1725-1730

103. Горбатюк, А В Пространственно-периодическое разрушение тиристора в режиме динамической перегрузки Текст. / А В Горбатюк, И А Линийчук, А С Свирин // Письма в ЖТФ 1989 - Т 15 - Вып 6 - С 42-45

104. Грехов, И. В. Создание профильного распределения концентрации рекомбинацион-ных центров при электронном облучении кремния Текст. / И. В. Грехов, Л. С. Костина, В. В. Козловский [и др.] // Письма в ЖТФ. 2011. - Т. 7. - Вып. 9. - С. 105-110.

105. Hazdra, P. Axial lifetime control in silicon power diodes by irradiation with protons, alphas, low- and high-energy electrons Text. / P. Hazdra, J. Vobecky, H. Dorschner [et al.] // Microelectronics Journal. 2004. - Vol. 35. - P. 249-257.

106. Afridi, К. K. Turn-off failures in individual and paralleled MCTs Text. / К. K. Afridi and J. G. Kassakian // Proc. 5th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD 1993 (Monterey, USA, 1993). P. 60-65.

107. Горбатюк, А. В. Теория и моделирование комбинированных механизмов ограничения области безопасной работы полупроводниковых переключателей силовой микроэлектроники Текст. / А. В. Горбатюк, Д. В. Гусин, Б. В. Иванов // ФТП. 2013 (в печати).

108. Горбатюк, А. В. Эффекты локализации тока в мощных биполярных переключателях с микрозатворами при неидеальной связи управляемых элементов Текст. / А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин // ЖТФ. 2012. - Т. 82. - Вып. 5. - С. 57-65.

109. Kopta, A. High Voltage SPT+ HiPak Modules Rated at 4500V Text. / A. Kopta, M. Ra-himo, U. Schlapbach [et al.] // Proc. Power Electronics and its Applications in Motion and Energy Management Conf. PCIM Europe 2007 (Nuremberg, Germany, 2007). P. 1-6.

110. Stiasny, T. A new combined local and lateral design technique for increased SOA of large area IGCTs Text. / T. Stiasny and P. Streit // Proc. 17th Int. Symp. Power Semiconductor Devices and ICs ISPSD 2005 (Santa Barbara, USA, 2005). P. 203-206.

111. Горбатюк, А. В. Статические и динамические характеристики встречно-параллельного диода в составе переключающего силового модуля Текст. / А. В. Горбатюк, И. В. Грехов, Д. В. Гусин [и др.] // Электротехника. 2010. - Вып. 11. - С. 53-61.

112. Грехов, И. В. Высоковольтный быстрый диод с "мягким" восстановлением Текст. / И. В. Грехов, А. В. Рожков, Л. С. Костина [и др.] // ЖТФ. 2011. - Т. 81. - Вып. 10. -С. 50-54.

113. Stanford Technology CAD Home Page Electronic resource., URL: http://www-tcad.stanford.edu/index.html (access: 17.05.2012).

114. Pinto, M. R. PISCES-II: Poisson and continuity equation solver. Stanford electronics laboratory technical report Text. / M. R. Pinto, C. S. Rafferty, and R. W. Dutton. Stanford University, 1984. - 144 p.

115. Дерменжи, П. Г. Расчет силовых полупроводниковых приборов Текст. / П. Г. Дер-менжи, В. А. Кузьмин, Н. Н. Крюкова [и др.]. Под ред. В. А. Кузьмина. - М.: Энергия, 1980,- 184 с.