ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИНИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С НАНОСЕКУНДНЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ

Заявляемая модель относится к области силовой импульсной электроники и может быть использована в качестве элементной базы для создания генераторов мощных импульсов нано и микросекундной длительности.
+
/
+
+
+
19
-3
/
16
17
-3
12
14
-3
0
0
Известен полупроводниковый динисторный переключатель с наносекундным быстродействием - динистор с быстрой ионизацией (ДБИ), полупроводниковая (кремниевая) структура которого состоит из четырех слоев с чередующимся типом проводимости pNpn, где р; n- высоколегированные слои р и n - типа проводимости с концентрацией легирующей примеси более 1·10 см, р - слой со средним уровнем легирования (10-10 см), N - исходный полупроводниковый материал с малым уровнем легирования (10÷10см). Конструкция полупроводниковой структуры ДБИ, описанная в [1], показана на рис. 1.
/
0
Обозначения на рисунке 1: 1 - краевой контур, 2 - защитный компаунд, 3 - область объемного заряда (003) при обратном смещении рN- перехода
+
/
+
/
12
/
5
/
+
+
0
0
0
0
0
0
0
Работает ДБИ следующим образом. При приложении к pNpn- структуре постоянного напряжения с указанной на Рис. 1 полярностью коллекторный pN-переход смещается в запорном направлении и около него образуется область объемного заряда (ООЗ). Затем к структуре в этом же направлении прикладывается импульс перенапряжения, нарастающий со скоростью более 10 В/сек. При такой скорости нарастания лавинный пробой, инициируемый термогенерируемыми в ООЗ носителями, не успевает развиться и напряжение на ООЗ достигает величины, примерно вдвое большей напряжения лавинного пробоя в стационарных условиях. Напряженность электрического поля в максимуме у pN-перехода при этом напряжении достигает ~5·10В/см и начинается термополевая ионизация глубоких электронных ловушек в N-слое. Освобождающиеся электроны оказываются в сверхсильном поле и вызывают быструю ионизацию атомов кремния. Образующаяся электронно-дырочная плазма экранирует электрическое поле у коллекторного pN-перехода, поле здесь падает, но возрастает в соседних областях и т.д. Образующийся таким образом ударно-ионизационный фронт проходит через всю N-область, заполняя ее электронно-дырочной плазмой, и динистор переходит во включенное состояние. Одновременно с этим идет более медленный процесс инжекции электронов и дырок со стороны n и р - эмиттеров, увеличивающий концентрацию плазмы в N-области.
Для устранения возможности пробоя по поверхности при двукратном импульсном перенапряжении полупроводниковая структура ДБИ имеет краевой контур в виде кольцевой двухступенчатой фаски 1, позволяющей увеличить ширину ООЗ на поверхности; для дополнительной защиты краевой контур покрывается компаундом 2. Время жизни неосновных носителей в базовой области No лежит в пределах от 10 до 30 мкс в зависимости от ширины этой области.
Принципиальными достоинствами ДБИ является возможность наносекундного переключения больших токов и малое остаточное напряжение во включенном состоянии при прохождении импульсов большой длительности и амплитуды.
Конструкция полупроводниковой структуры и режимы работы ДБИ приведены в работе_[1] - С.В. Коротков, Ю.В. Аристов, В.Б. Воронков и др. "Динисторы с наносекундным быстродействием" -// ПТЭ. 2009, №5, С. 90-93, которая является прототипом предлагаемой модели.
Недостатком прототипа является обнаруженное нами явление, заключающееся в катастрофическом увеличении токов утечки в обратносмещенной структуре ДБИ в определенных режимах работы.
Было обнаружено, что после переключения прибора импульсом перенапряжения и последующим прохождением импульса прямого тока резко возрастает ток утечки прибора в закрытом состоянии при постоянном смещении; этот ток медленно спадает с характерным временем от нескольких секунд до суток.
При работе в частотном режиме ток утечки по мере следования импульсов быстро нарастает до величины, приводящей к разрушению прибора, что является существенным недостатком прототипа.
Целью предлагаемой модели является устранение этого недостатка.
Сущность полезной модели и ее отличия от прототипа.
Наши исследования показали, что появление тока утечки определяется следующим комплексом физических явлений:
1. Импульсное приложение к полупроводниковой структуре ДБИ большого напряжения, вплоть до вдвое большего, чем напряжение статического пробоя, приводит к образованию в приповерхностном слое компаунда 2, расположенного на поверхности краевого контура 1, заряженных дефектов, являющихся ловушками для электронов.
0
2. После переключения динисторной структуры в проводящее состояние и протекания импульса силового тока весь объем базового слоя Nзаполняется электронно-дырочной плазмой с высокой плотностью. Электроны из плазмы захватываются на акцепторные ловушки, приводя к появлению отрицательного поверхностного заряда, что способствует образованию инверсного (дырочного) проводящего слоя на поверхности краевого контура.
3. Последующие импульсы перенапряжения и переключения динистора приводят к накоплению концентрации электронов на ловушках и, следовательно, к увеличению проводимости инверсного слоя, т.е., к возрастанию тока утечки.
4. Если после импульса перенапряжения не происходит протекания силового тока, то инверсный слой не образуется и утечка не появляется.
Таким образом, для устранения утечки необходимо предотвратить перемещение электронно-дырочной плазмы к краевому контуру при протекании силового тока через полупроводниковую структуру ДБИ, устранив таким образом возможность образования инверсного слоя.
Поставленная цель достигается в динисторной структуре, отличающейся от показанной на Рис. 1 структуры прототипа тем, что в ней время жизни неосновных носителей снижено до величины ≤0,1 мкс в объеме 3 полупроводниковой структуры, расположенным под краевым контуром (Рис. 2). В этом случае концентрация плазмы в объеме структуры под краевым контуром снижается до величины, при которой не образуется инверсный слой и, следовательно, не будет появляться ток утечки. Такое локальное снижение времени жизни может быть получено, например, путем облучения электронами с энергией, большей порога дефектообразования; необлучаемая площадь защищается соответствующим экраном 4.
17
-2
Пороговая энергия дефектообразования в кремнии составляет ~ 300 кэВ, а диапазон толщин кремниевых структур высоковольтных динисторов 300-500 мкм. Поэтому почти однородное дефектообразование по всей толщине пластины происходит при облучении электронами с энергией более 500 кэВ. Для снижения времени жизни неосновных носителей до величины <0,1 мкс при такой энергии доза должна быть больше или равной 10 см.
Обозначения на рис. 2: 1 - краевой контур; 2 - защитный компаунд;3 - объем полупроводниковой структуры, в которой время жизни неосновных носителей заряда снижено до величины <0,1 мкс; 4 - защитный экран от потока электронов, выполняемый обычно в виде металлической пластины.
Конкретный пример выполнения.
0
Были изготовлены структуры ДБИ на пластинах кремния n-типа с удельным сопротивлением 120 Омсм, диаметром 24 мм; краевой контур, аналогичный показанному на Рис. 2, состоял из двух фасок, снятых под углом 30° и 2,5°; общая ширина фаски составляла 3 мм. Время жизни неосновных носителей в N-базе составляло 20 мкс, краевой контур был покрыт слоем компаунда. КЛТ-30.
/
0
После сушки компаунда ток утечки обратносмещенного рN-перехода при постоянном напряжении 2 кВ составлял 2-4 мкА. Затем на испытательном стенде к прибору прикладывался импульс перенапряжения с амплитудой 2.5 кВ, скоростью нарастания 1 кВ/нс, шириной по полувысоте 1,5 нс, частотой следования 500 Гц. В промежутках между импульсами после переключения через прибор проходил импульс прямого тока с амплитудой 250 А и длительностью 250 нсек. После работы в таком режиме через 10 сек. ток утечки на постоянном напряжении 2 кВ возрос до 60 мкА, через 60 сек. до 1400 мкА, а через 5 мин. динистор выходил из строя при измерении тока утечки.
17
-2
Затем аналогичные приборы облучались электронами с энергией Е=550 кэВ и дозой 2.4.10 см; время жизни дырок после облучения в кольцевой области под фаской снизилось до ≈ 0,1 мксек. Обратный ток коллектора при постоянном напряжении 2,0 кВ составлял 3.0 мкА. После 60 сек. работы в описанном выше импульсного режиме обратный ток возрос до 4.5 мкА, после 5 мин. - до 7.5 мкА и далее не возрастал. Таким образом, профильное облучение электронами области краевого контура позволило полностью устранить эффект деградации ДБИ при работе в нормальном импульсном режиме.