ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОДНЫЙ СУБНАНОСЕКУНДНЫЙ ОБОСТРИТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ

Заявляемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой импульсной электронике субнано- и пикосекундного диапазона и может быть использована в качестве элементной базы генераторов сверхкоротких мощных электрических импульсов.
Здесь и далее:
+
+
19
-3
n, p - слои полупроводника с высоким уровнем легирования (более 10 см);
0
0
N, P - слои исходного полупроводникового материала с низким уровнем легирования.
Известен кремниевый высоковольтный диодный субнаносекундный обостритель импульсов [1], работающий следующим образом.
+
+
12
+
5
5
+
+
+
0
0
0
кр
0
0
0
К кремниевой диодной структуре pNn-типа, полученной, например, путем диффузий бора и фосфора с противоположных сторон кремниевой пластины N-типа проводимости и имеющей напряжение статического пробоя в запорном направлении порядка 1÷2 кВ, прикладывается в запорном направлении импульс напряжения, нарастающий со скоростью порядка 1 киловольт в наносекунду (~10 В/сек). При такой скорости подъема напряжения напряженность поля Е в расширяющейся области объемного заряда (ООЗ) pN-перехода быстро достигает критической величины Е≈2×10 В/см, при которой в квазистатических условиях развивается лавинный пробой. Однако при столь быстром подъеме напряжения того количества свободных носителей, которое создается термогенерацией, оказывается недостаточным для инициирования пробоя в этой области. Когда поле нарастает до величины ~5×10 В/см, при которой начинается термополевая ионизация глубоких ловушек в кремнии, то образующиеся при этом свободные электроны оказываются в области сверхсильного поля и производят быструю ионизацию атомов кремния, образуя электронно-дырочную плазму с высокой концентрацией. Поле в плазме падает, но нарастает в прилегающей области объемного заряда (ООЗ) к Nn-переходу и т.д. Образующийся таким образом ионизационный фронт быстро перемещается в ООЗ к Nn-переходу, оставляя за собой область, заполненную электронно-дырочной плазмой с высокой плотностью. Когда фронт достигает Nn-перехода, вся ООЗ оказывается заполненной электронно-дырочной плазмой и диод переходит в проводящее состояние. Поскольку скорость движения фронта может на 1÷1,5 порядка превышать насыщенную скорость движения электронов, переключение диода со статическим напряжением пробоя 1,5-2 кВ происходит за время, меньшее 100 пикосекунд. Это самый быстрый из известных высоковольтных полупроводниковых переключателей - обострителей импульса.
+
0
Для надежной работы такого прибора необходимо обеспечить защиту от пробоя pN-перехода по поверхности при импульсном напряжении, значительно превышающим напряжение пробоя в статических условиях.
+
+
0
0
1
2
Известна и широко используется конструкция краевого контура pN-перехода, позволяющая получить напряжение пробоя по поверхности большее, чем в объеме, впервые описанная в работе [3] R.L. Davies, F.E. Gentry «Control of Electric Field at the surface of p-n junction» IEEE Transaction on ED, 1964, v 11(7), pp 313-323. В этой конструкции диода, показанной на Рис. 1а, краевой контур (1) кремниевой пластины выполнен в виде кольцевой фаски таким образом, что площадь поперечного сечения уменьшается в направлении от высоколегированной p-области к слаболегированной N-области. В такой конструкции (Рис. 1а) ширина ООЗ (2) на поверхности краевого контура W значительно больше, чем в объеме W; это позволяет уменьшить напряженность электрического поля на поверхности и предотвратить поверхностный пробой.
2
0
o
0
max
0
+
Недостатком конструкции является то, что значительное увеличение ширины ООЗ на поверхности по сравнению с объемом в диодной структуре возможно только тогда, когда ширина ООЗ в объеме W меньше, чем толщина N-базовой области. Это обычно и осуществляется при работе диодов в статических режимах, когда рабочее напряжение U=U меньше напряжения пробоя pN-перехода. Однако, при работе в режиме обострителя импульсов, когда прикладываемое импульсное напряжение U=U в разы больше напряжения пробоя, ООЗ в объеме диода занимает всю N-базу (Рис. 1б); тогда ширина ООЗ в объеме и на поверхности различается незначительно. Кроме того, возможность быстрого формирования широкой ООЗ на поверхности ограничивается насыщением скорости движения носителей в сильных полях. Поэтому вероятность поверхностного пробоя резко возрастает, что значительно снижает надежность работы лавинных обострителей.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение этого недостатка.
Сущность полезной модели и ее отличие от прототипа.
+
+
+
+
+
+
+
0
0
1
2
Поставленная цель достигается в показанной на рис. 2а диодной pNn-структуре, отличающейся от показанной на рис. 1а структуры-прототипа тем, что краевой контур блокирующего pN перехода 1 замкнут накоротко металлизацией 2 с p-слоем 3, а противоположный ему n-слой 4 имеет внешний диаметр D меньший, чем внешний диаметр p-слоя D. Таким образом, n-слой окружен кольцом исходного кремния с удельным сопротивлением, обычно лежащим в пределах 20÷50 Ом·см.
+
+
+
+
5
+
+
+
0
0
0
0
0
Обостряемый импульс напряжения прикладывается к контактам АВ с отрицательной полярностью на p-слое. Протекающий при этом по кольцу исходного кремния ток создает на нем падение напряжения, которое смещает pN-переход в запорном направлении. Напряжение смещения изменяется от нуля на краевом контуре pN-перехода до максимума в его центре. Форма распределения электрического поля на кольце исходного материала показана на рис. 2б, а на pN-переходе на рис. 2в. При быстром подъеме напряжения поле в центре нарастает до величины ~5·10 В/см, при которой начинается термополевая ионизация ловушек и формируется ударно-ионизационный фронт, приводящий, как и в прототипе, к сверхбыстрому переключению pNn-диода в проводящее состояние. Принципиальным отличием предлагаемой конструкции от прототипа является то, что блокирующий pN-переход не имеет выхода на поверхность, а формирование ударно-ионизационного фронта происходит в объеме материала. Поэтому возможность деградации вследствие поверхностного пробоя устраняется полностью.
+
2
1
Электрическое поле с большой напряженностью возникает на поверхности кольца основного материала вокруг n-контакта. Поэтому ширина кольца D-D выбирается такой, чтобы поле в максимуме было ниже критической величины для поверхностного пробоя. Кроме того, сопротивление кольца должно быть достаточно большим (обычно на порядок больше сопротивления нагрузки) для того, чтобы ток через него при максимальном напряжении прикладываемого импульса был достаточно мал по сравнению с импульсом тока в нагрузке после переключения обострителя (т.е. не более 10%).
Литература
l. I.V. Grekhov "Pulse Power Generation in Nano- and Subnanosecond Range by Means of Ionizing Fronts in Semiconductors. The State of the Art and Future Prospects"
IEEE Trans. on Plasma Science, 2010, v 38, pp 1118-1123
2 R.L. Davies, F.E. Gentry
"Control of electric field of the Surface of p-n junction"
IEEE trans. on Electron Devises
1964, v 11(7) pp. 313-323
Конкретный пример выполнения.
s
o
21
-3
+
+
В пластину кремния N-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ=30 Ом·см и толщиной 200 мкм с одной стороны была проведена диффузия бора с поверхностной концентрацией N≈10 см на глубину 10 мкм, в результате которой был сформирован p-слой. Затем пластина окислялась в токе кислорода и из нее вырезались алмазным инструментом круглые образцы диаметром 2÷3 мм. На сторону, противоположную p-слою, кислотостойким лаком наносилось кольцо с внутренним диаметром 1 мм, затем плавиковой кислотой удалялся окисел с незащищенных поверхностей и на них наносились контакты методом химического никелирования с последующим вжиганием в вакууме при температуре 700°C и повторным никелированием. Измеренное сопротивление кольца исходного материала на постоянном токе составляло 470 Ом, а время жизни дырок в N-базе было ≈10 мкс. Испытания проводились с помощью генератора наносекундных импульсов с регулируемым выходным напряжением до 4 кВ, длительностью фронта 600 пс и шириной импульса на полувысоте 1,5 нс при сопротивлении нагрузки 50 Ом.
На рис. 3а приведена осциллограмма обостряемого импульса, на рис. 3б - форма импульса напряжения на нагрузке после обострителя. «Пьедестал» импульса создается током, протекающим через кольцо основного материала, а силовой ток, протекающий через диод (~20 А) после переключения, нарастает за время <200 пикосекунд (быстронарастающая часть импульса).
В образцах с временем жизни неосновных носителей, уменьшенном до 0,1 мкс с помощью гамма-облучения, форма обостряемого импульса практически не изменялась вплоть до частот порядка долей мегагерца.