ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД ДЛЯ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗМЫКАНИЯ БОЛЬШИХ ТОКОВ

Настоящая полезная модель относится к области импульсной TexHiiKH и может быть использована для создания мощных электрических импульсов тока с нано и субнаносекундным временем нарастания. Для создания таких импульсов в настоящее время широко используется процесс быстрого восстановления запирающей способности полупроводникового диода при переключении его из прямого смещения на обратное в цепях с индукт11вностью 1,2. Диод при этом используется как ключ-размыкатель тока.
В 1 описан полупроводниковый р пп -диод, названный дрейфовым диодом с резким восстановлением (ДДРВ). Рп-переход создавался одновременной диффузией бора с поверхностной концентрацией  1  и алюминия с поверхностной концентрацией -Т- , а п п-переход создавался диффузией фосфора с поверхностной коицентрацией  . Этот диод может быть принят за аналог предлагаемой полезной модели. Процесс быстрого восстановления в этом приборе, согласно 1, протекает следующим образом. Короткий ( не) импульс прямого тока с плотностью  00 А/см создает резко неоднородное распределение электронно-дырочной плазмы в п-базе диода: основное количество плазмы сосредоточено у р п-перехода в узкой ( мкм) области с высокой концентрацией плазмы (0см), а остальная часть базы почти однородно заполнена плазмой с концентрацией на 2 порядка меньшей, чем в этой области. При перемене полярности внешнего напряжения на диоде через него протекает обратный ток, вьшодящий плазму из п-базы. Расчет показьюает, что плазма из областей с высокой и низкой концентрацией оказывается полностью вьшеденной практически одновременно, р п-переход смещается в запорном направлении и образующаяся область объемного заряда (ООЗ) расширяется в п-базе диода к п -слою за счет выведения основных носителей (электронов) обратным током. При этом соотношение между плотностью обратного тока и концентрацией основных носителей в базе выбирается так, чтобы напряженность электрического поля в квазннейтральной части п-базы была  10 В/см. Электроны в таком поле движутся с предельной (насыщенной) скоростью У Ю см/сек, что обеспечивает предельно быструю скорость нарастания напряжения на тшоде и, следовательно, быстрый обрыв тока в цепи. Достоинством
обратном напряжении. Например, для диода с проб1шным напряжением U 2 kB и, соответственно, концентрацией доноров в п-базе Ко 8-10Ч;м  и  не. Недостатком ДДРВ является малая мощность импульса. Эта мощность определяется энергией, запасенной в индуктивности L, включенной последовательно с ДДРВ. К моменту обрьюа обратного тока 1, эта энергия .
Поскольку напряженность поля  (j - штотностъ тока, р - удельное сопротивление п-базы) должна быть «10 В/см, то j не может быть
большой. Например, для диода с .5 kB  Ом.см и j 125 А/см Это означает, что для генерации импульса тока с амплитудой, например, 12.5 кА необходимо использовать даод с рабочей площадью 100 cм что нереально из-за высокой стоимости таких приборов. Величина L также не может быть больщой из-за того, что короткий импульс прямого тока с ограниченной плотностью тока не может ввести больщое количество электронно-дырочной плазмы в п-базу, что резко ограничивает предельную длительность импульса обратного тока и, следовательно, величину L.
Известна также описанная в 2 и взятая нами за прототип конструкция  диода, названная авторами SOS (Silicon Opening Switch)-диoдoм. P pn-переход изготовлен в таком приборе совместной глубокой диффузией бора и алюминия с поверхностными концентрациями соответственно 10 и  а п -переходдиффузией фосфора с поверхностной концентрацией   см  Процесс быстрого восстановления в этом диоде, согласно 2, протекает следующим образом. Сравнительно длинный (500 не) импульс прямого тока с плотностью  кА/см создает резко неоднородное, но квазисимметричное распределение плазмы в диоде, причем основное количество плазмы сосредоточено в слоях щириной 50-60 мкм у  и  переходов. При перемене полярности внещнего напряжения обратный ток с очень высокой плотностью (7.5 kA/см) вьгаодит плазму из диода. Концентрация плазмы спадает практически до нуля сначала у р р-перехода, гае формируется резкий плазменный фронт, движзшдийся в сторону п-базы. Копщ фронт проходит слаболегированную часть р-слоя, в ней создается сильное поле и ток через диод падает. При этом значительная часть накопленного в п-базе заряда остается там после обрьша тока и потом вьюо/щтся через ООЭ при высоком напряжении на приборе. Таким образом, SOS-диод работает при высокой плотности обратного тока, что позволяет накапливать больщую энергию в индуктивности и получать мощный наносекундный импульс при значительно меньщей, чем у ДДРВ, рабочей площади кремниевой пластины.
Недостатком SOS-диода является сравнительно медленное нарастание напряжения н спад тока, так как плазменный фронт и, следовательно, граница ООЗ движется со скоростью меньшей, чем насыщенная. Согласно 3J, SOS-диод с толщиной п-базы  140 мкм обрьюает ток в описанном выще режиме за  не, в то время как ДДРВ с такой же толщиной базы обрьтает ток за 1.4 не (здесь и далее предполагается, что толщина п-базы равна щирине ООЗ рп-перехода при напряжении лавинного пробоя).
Другим недостатком SOS-шfoдa является большое тепловыделение при восстановлении, поскольку оставшаяся после обрыва тока в п-базе диода плазма в течение длительного времени является источником небольшого обратного тока при полном напряжении на диоде. Кроме того, большое тепловыделение происходит при лавинном пробое в р-области, коща в течение некоторого времени через диод протекает почти полный обратный ток при большом напряжении на диоде.
Таким образом, существзоощие конструкции диодов для ианосекундного размыкания больщих токов не могут обеспечить сочетание высокого быстродействия с большбй мощностью импульса.
Целью предлагаемой полезной модели является диод, способный размыкать ток с характерным временем, свойственным ДДРВ, и, в то же время, получать импульс очень большой мощности, свойственной SOS-диоду.
Указанная задача рещается тем, что в полупроводниковом р рпп -диоде для наносекундного размыкания больших токов коэффициент инжекции п п-перехода уменьшен до величины, обеспечивающей инвфсный порядок восстановления  и п п-переходов при переключении диода из прямого смещения на обратное. Уменьшение коэффициента инжекции п п-перехода производится путем уменьшения поверхностной концентрации легирующей примеси в п -слое до величины N,, лежащей в пределах 1   I  I  либо путем уменьшения времени жизни
неосновных носителей в п-базе до величины 0.01 1,0.1 мкс, причем
это уменьшение производится в слое п-базы с толщиной а 10 мкм, прилегающем к п -слою.
Суть полезной модели поясняется чертежем Фиг. I А,В.
На Фиг. 1А1 изображена конструкция р рпп -диода с поверхностной концентрацией легирующей примеси   1 . Штриховкой показано распределение концентрации электронно-дырочной плазмы в конце процесса накачки.
На Фиг. 1А2 штриховкой показано распределение плазмы в начале процесса восстановления.
На Фиг. 1 A3 показано распределение электрического поля в п-базе после полного выноса плазмы и начала восстановления ООЗ рп-перехода. Штриховкой отмечена квазинейтральная часть п-базы.
На Фиг, 1В1 приведена осциллограмма прямого j и обратного j, токов через диод.
На Фиг. 1В2 приведена осциллограмма напряжения на диоде при резком обрыве обратного тока.
Сзпъ предлагаемого решения состоит в следующем.
Как уже упоминалось, целью предлагаемой модели является диод, способный размыкать ток за нано и субнаносекундные временные интервалы, характерные для аналога, и в то же время по1огчать импульс очень большой мощности, свойственный прототипу, т.е. сочетать большую мощность и высокое быстродействие. Для этого необходимо создать такую конструкцию р рпп -диода, которая, с одной стороны, обеспечивала бы возможность накопления большого количества плазмы в базовой области в течение импульса прямого тока и, с другой стороны, обеспечивала бы полное выведение этой плазмы за время протекания обратного тока так, чтобы расширение ООЗ рп-перехода при восстановлении диода происходило бы только за счет вьюедения основных носителей с предельной (насыщенной) скоростью Vy Для этого преддагается уменьшить коэффициент инжекции п п-перехода так, чтобы при любой длительности импульса прямого тока концентрация плазмы у этого перехода была снижена до величины, при которой спад концентрации носителей в плазме до равновесного значения при протекании обратного тока всегда происходил раньше у п п-перехода, чем у р р-перехода, т.е. порядок восстановления переходов бьш бы инверсным по сравнению с аналогом и прототипом. Типичное распределение плазмы для такой коиструкции диода показано на Рис. IА1. В этом случае при протекании импульса прямого тока с большой длительностью в базе накапливается большое количество плазмы, а при протекании импульса обратного тока большой плотности у  формируется резкий плазменный фронт, дв1шущийся к рп-переходу; одновременно происходит спад концентрации плазмы у р р-перехода (Рис. 1А2). Соотношение между плотностью обратного и прямого токов выбирается таким, чтобы этот фронт проходил плоскость рп-перехода одновременно с полным истощением плазмы в р-области. После этого образующаяся у рп-перехода ООЗ расширяется, в основном, в сторону п -слоя со скоростью Vg, как у аналога, обеспечивая наносекундный обрьш тока и нарастание напряжения на диоде.
требуемое снижение коэффициента инжекции п п-перехода может быть осуществлено двумя способами:
1.Уменьшением поверхностной концен1рации легирующей примеси Ng в п -слое от Nj  см , как в аналоге и прототипе, до   I . При такой концентрации резко возрастает утечка дырок через потенциальный барьер п п-перехода и, соответственно, снижается коэффициент инжекции электронов при прямом смещении, т.е. снижается концентрацня плазмы у п п-перехода. Нащи эксперименты показали, что при  резко ухудщаются характеристики металлического контакта к п -слою, а при N5 IOcM становится невозможно обеспечить инверсный порядок восстановления.
2.Снижением времени жизни т дырок в узкой области п-базы, прилегающей к п -слою. При этом элекфоны, инжектируемые из п -слоя с высокой ( см ) концентрацией легирующей примеси, частично рекомбинируют с дырками в этой области, что приводит к снижению концентрации плазмы на границе этой области с остальной частью п-базы. Нащи эксперименты показали, что снижение времени
жизни дырок до 0.01 . I мкс при толщине области а« IО мкм обеспечивает инверсный порядок восстановления при всех режимах
работы. Локальное снижение т обычно производится протонным облучением.
Пример I
Полупроводниковый р рпп -диод с инверсным порядком восстановления был изготовлен из кремния п-типа с  Омсм (Np«c7- ). р р-переход изготавливался совместной диффузией бора с Ng  10 см  и алюминия с Nj Т-  глубина рп-перехода составляла  100 мкм, толщина р -слоя - 40 мкм. п п-переход изготавливался диффузией фосфора с N5  на глубину 50 мкм. Толщина п-базы была 200 мкм, напряжение лавинного пробоя диода .5 kV, диаметр исходной пластины кремния ф14 мм, рабочая площадь  0.65 см. На Фиг. 1В1 приведены типичные осциллограммы процесса восстановления такого диода. После импульса прямого тока jfnaj 0.75 кА/см длительностью 3 мкс к даоду прнкладьгаается обратное напр51жение и через него протекает быстронарастающиЙ импульс обратного тока с амплтудой в максимуме .1 кА/см время нарастания 0.5мкс.После этого ток резко обрьшается диодом и на нем
нарастает напряжение .1 kV за  не. Таким образом, диод формирует импульс с мощностью .210 W за время 3 не.
Пример 2
Был изготовлен такой же р рлп -диод с тем отличием, что поверхностная концентрация фосфора была . Затем диод был облучен протонами с энергией .3 МэВ со стороны п -контакта доза облучения составила  прот/смЛ При данной энергии протонов и дозе облучения в п-базе прибора был создан
рекомбинационный слой с временем жизни дырок .05 мкс. При этом данный рекомбинационный слой занимал толщину 5 10 мкм в п-базе, прилегающей к п -слою (TJC. глубина пробега протонов с ,S МэВ составляет в кремнии  мкм).
Введение рекомбинационного слоя у п -слоя диодной структуры привело к резкому снижению концентрации плазмы в этой области после прохождения импульса прямого тока, что обеспечило инверсный порядок восстановления перехоф в р -р-п-п структуры, т.е. снижение концентрации плазмы до равновесного значения при протекании обратного тока всегда происходило раньше у  перехода, чем у  перехода.
Изготовленные диощ с протонным облучением также обеспечивали формирование импульсов напряжения при резком восстановлении с амплитудой  кВ за время  не, как и приборы в примере N1.
Список литературы
1.Тужевич В.М., Грехов И.В.,Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводаико зыми приборами.Л.: НаукаМ988,268с.
2.SA.Darznek, GA.Mesyats, S.NJR.iikin, S.N.Tsiranov Theoretical model of the SOS effect Proc. I Ith Int. Conf. on High Power Particle Beams Prague. Czech Republic, June 10-14,1996, P-4-81.
3.S.K.Lyubutin, GA.Mesyats, S.N JRukin et al.
New solid state opening switches for repetitive pulsed power
technology
Proc. 11 th Int. Conf. cm High Power Particle Beams,
Prague, Czech Republic, June 10-14,1996, P-4-82.