WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 3 Новый физический механизм формирования критического заряда включения тиристорных структур ¶ © Т.Т. Мнацаканов, С.Н. Юрков, А.Г. Тандоев Всероссийский электротехнический институт, 111250 Москва, Россия (Получена 21 июня 2004 г. Принята к печати 12 июля 2004 г.) Продемонстрировано существование нового механизма формирования критического заряда включения Qcr в тиристорных структурах. Построена новая аналитическая модель, позволившая получить соотношения, определяющие величину критического заряда в современных тиристорных структурах как на основе Si, так и на основе нового материала SiC. Справедливость предложенной аналитической модели критического заряда подтверждена с помощью численного эксперимента.

1. Введение Исследование критического состояния тиристорной структуры было проведено в работе [8] в рамках общего Концепция критического заряда позволяет с единой подхода, что позволяет надеяться, что новый механизм точки зрения описать совокупность основных характеформирования критического заряда имеет универсальристик тиристорной структуры: критическую скорость ный характер и может реализоваться не только в карбид dU нарастания анодного напряжения, минимальный кремниевых структурах. Вместе с тем следует отметить, dt crit отпирающий ток управления, скорость распространения что в [8] при проведении выкладок был сделан ряд включенного состояния, величину времени выключения упрощающих предположений.

тиристора и т. д. Концепция критического заряда Qcr Цель настоящей работы заключается в получении была предложена Уваровым [1] и развита в дальнейшем соотношений, позволяющих определить величину критив работах [2–5].

ческого заряда в современных тиристорных структурах Предложенная в работе [1] модель критического закак на основе Si, так и на основе нового материала ряда широко применялась для описания характеристик SiC, которые существенно отличаются от тиристоров кремниевых структур. Отметим, что в рамках концепции 60-х годов, для которых создавалась модель критическоУварова для реализации критического состояния принго заряда [1].

ципиально необходимо существование утечки по крайней мере в одном из эмиттерных переходов тиристора.

2. Физические механизмы В работе [1] в качестве механизмов утечки рассматривались рекомбинация в области пространственного заряда формирования критического заряда и искусственная шунтировка эмиттерного перехода, приКлассическая концепция критического заряда [1] осночем основную роль в реальных кремниевых структурах вана на рассмотрении динамического баланса неравноиграла искусственная шунтировка.

весных носителей заряда в базовых слоях тиристорной Недавно, однако, появились экспериментальные реструктуры. Такой баланс определяется, с одной стороны, зультаты, полученные при исследовании тиристорных процессами регенерации, обусловленными положительструктур на основе нового перспективного материала ной обратной связью и приводящими к росту числа силовой электроники — карбида кремния SiC [6,7], которые существенно расходятся с предсказаниями мо- частиц, а с другой стороны, процессами потерь, обусдели критического заряда [1]. Особенностью тиристо- ловленными рекомбинацией и утечками в эмиттерных переходах. При этом собственные коэффициенты инжекров на основе SiC является отсутствие искусственной шунтировки. В этих условиях, согласно модели Уваро- ции обоих эмиттерных переходов полагались равными единице.

ва, рекомбинация в области пространственного заряда эмиттерного перехода является единственно возможным Существование положительной обратной связи в тимеханизмом утечки. Между тем использование соотно- ристорных структурах обусловливает S-образный вид их шений, предложенных для вычисления величины крити- вольт-амперной характеристики (ВАХ). Такой вид ВАХ ческого заряда в [1], дает в этом случае теоретическое свидетельствует о существовании статических неустойзначение Qcr на 2 порядка меньшее, чем эксперимен- чивых состояний, описываемых соотношением тальное значение, измеренное в работах [6,7]. Этот факт jkявился исходным для анализа существующей концепции 1T 1 + 2T 2 = 1 -, (1) j критического заряда, проведенного в работе [8]. Анализ, проведенный в работе [8], продемонстрировал существогде jk0 — генерационный ток коллекторного перехода, вание в структурах на основе SiC нового механизма 1 и 2 — коэффициенты инжекции эмиттерных переформирования критического заряда.

ходов, T 1 и T 2 — коэффициенты переноса носителей ¶ E-mail: mnatt@vei.ru заряда через базовые слои составных транзисторов. Мы Новый физический механизм формирования критического заряда включения тиристорных структур будем придерживаться принятого в литературе правила, Dp — коэффициент диффузии дырок, (n)L и (n)H — согласно которому обозначения 1 и T 1 используются времена жизни электронов в широкой p0-базе при для составного транзистора с тонкой, сильно легирован- низком и высоком уровнях инжекции соответственно.

ной базой, а 2 и T 2 — для составного транзистора с Численные оценки для высоковольтных структур толстой, слабо легированной базой.

на основе SiC [10] дают следующие значения:

Исследование баланса неравновесных носителей заря(T 2)L 0.4-0.5 и (T 2)H 0.90-0.95. Полученные да в состояниях, близких к описываемым соотношениоценки свидетельствуют о возможности существенного ем (1), позволило Уварову найти величину критического влияния зависимости T 2( j) на изменение величины заряда Qcr. Отметим, однако, что в [1] было принято, что левой части уравнения (1) с ростом тока.

2, T 1 и T 2 не зависят от тока, и только эффективный Кроме того, используемая в ряде современных кремкоэффициент инжекции 1 перехода 1 (между эмитниевых приборов шунтировка второго эмиттерного петером и тонкой сильно легированной базой) зависит рехода тиристорной структуры также делает актуальной от плотности тока j. В кремниевых тиристорах, для учет зависимости 2( j).

которых была развита модель критического заряда [1], Далее представлена аналитическая теория критичетакое допущение часто оказывается оправданным. Это ского заряда включения тиристора, в которой учтены обусловлено тем, что даже в наиболее высоковольтных физически обоснованные зависимости от тока параметкремниевых тиристорах включение происходит, как праров 1( j), j2( j) и T 2( j). Результаты аналитического расвило, при условиях, когда коэффициенты переноса через чета сравниваются с данными численного эксперименбазовые слои T 1 и T 2 могут с хорошей точностью та, проведенного с помощью компьютерной программы считаться постоянными. Кроме того, в подавляющем „Исследование“ [11].

большинстве случаев эмиттерный переход, прилегающий к узкой сильнолегированной базе, искусственно шунтируется сопротивлением Rsh. Наличие шунтировки 3. Аналитическое исследование делает зависимость 1( j) вблизи точки переключения задачи особенно резкой, что позволяет пренебречь зависимостью 2( j).

Для аналитического исследования задачи мы восВ тиристорах на основе SiC реализуется иная сипользуемся методом заряда [12,13], который с успехом туация. Прежде всего следует заметить, что во всех использовался для расчета параметров, характеризуописанных в литературе тиристорах на основе SiC ющих процесс включения тиристоров как на основе искусственная шунтировка отсутствует. (Однако величиSi [5,12,13], так и на основе SiC [10,15]. При выводе соотна собственного коэффициента инжекции эмиттерного p+-n-перехода составного транзистора с узкой базой 1 ношений модели мы будем придерживаться упомянутого выше правила, согласно которому обозначения 1 и мала из-за неполной ионизации легирующих атомов T используются для составного транзистора с тонкой, Al в p+-эмиттере). Далее, как было показано в рабо- те [7], минимальный ток управления включения jg min сильно легированной базой, а 2 и T — для составного транзистора с толстой, слабо легированной базой.

оказывается столь большим, что соответствует среднему В рамках метода заряда [12,13] уравнения, описывауровню инжекции в толстой, слабо легированной базе тиристора. В таких условиях возможность выполнить ющие изменение заряда неосновных носителей заряда Wусловие (2) в узкой базе Q1 = q n1(x)dx и заряда неосновных (1T 1 + 2T 2) > 1 (2) Wс ростом тока может быть обусловлена не увеличени- носителей заряда в широкой базе Q2 = q n2(x)dx ем 1, а возрастанием коэффициента переноса T 2.

Действительно, при переходе от низкого уровня ин- структуры, имеют вид жекции к высокому в слабо легированной p0-базе тиdQ1 ристора (отметим, что тиристоры на основе SiC имеют = - (1 - 1)k1 + Q1 + 1k2Q2 + 1( jk0 - jR1), блокирующую базу p-типа, что связано с особенностями dt технологии карбид-кремниевых структур) коэффициент dQ2 переноса T 2 изменяется [9] от (T 2)L = 2k1Q1 - (1 - 2)k2 + Q2 + 2( jk0 - jR2), dt (T 2)L = (3а) (4) ch(Wp/Ln) T 1 T где k1 =, k2 =, 1 и 2 — времена (1-T 1)1 (1-T 2)до (T 2)H жизни неосновных носителей заряда в узкой и широкой b 1 1 базах соответственно, jk0 — плотность генерационного (T 2)H = +, (3б) тока коллекторного перехода. Плотности тока jR1 и jRb + 1 b + 1 ch(Wp/La) введены по аналогии с работой [1] следующим образом.

где Wp — толщина электронейтральной части Предполагается, что токи, протекающие через эмиттерширокой p0-базы, Ln = Dn(n)L, La = Da(n)H, ные p+-n- иn+-p-переходы, представляют собой сумму 2b Da = Dp — амбиполярный коэффициент диффузии, диффузионного тока и избыточных токов jR1 и jRb+Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 374 Т.Т. Мнацаканов, С.Н. Юрков, А.Г. Тандоев соответственно, которые следует рассматривать либо С учетом введенных аппроксимаций система уравнекак рекомбинационные токи, либо как токи утечки в ний (4) в интересующей нас области плотностей тока шунт.

приобретает вид Начальные условия для системы уравнений (4) имеют dQ1 вид = - (1 - 1)k1 + Qdt Q1|t=0 = Q10, Q2|t=0 = Q20, (5) + 1k2ef f Q2 - 1 jR1 - 1 jRk, где Q10 и Q20 — начальные заряды в узкой и широкой dQ2 базах соответственно.

= 2k1Q1 - (1 - 2)k2ef f + Qdt 2ef f Величина полного тока, протекающего через структуру, выражается при этом через величины Q1 и Q- 2 jR2 - jR +(1 - 2) jRk. (10) следующим образом:

j = k1Q1 + k2Q2 + jk0. (6) Решение системы уравнений (10) с граничными условиями (5) имеет вид [14] Уравнения (4) можно преобразовать с учетом следующих особенностей тиристорных структур. Во-первых, 1 - bдовольно большая ширина запрещенной зоны позволяет Q1 = C1 exp(1t) aпренебречь генерационным током jk0 в правой части уравнений (4). Во-вторых, заметим, что в процессе изме2 - b2 b2d1 - b1d+ C2 exp(2t) -, нения уровня инжекции от низкого к высокому в широa2 b2a1 - b1aкой базе структуры в ней происходит изменение времени a2d1 - a1dжизни электронов 2 и коэффициента переноса T 2, что Q2 = C1 exp(1t) +C2 exp(2t) +, (11) приводит к монотонному возрастанию параметра k2. Так b2a1 - b1aже, как и в [8], воспользуемся для описания изменения где константы интегрирования C1 и C2 определяются коэффициента k2 следующей монотонно возрастающей начальными условиями аппроксимацией:

(T 2)L a2 1 - a1 1 1 - ak2 =(k2)L, при Q2 Q2L, C1 = Q10 + Q20 + d1 + d2, (1 - (T 2)L)(2)L 1 - 2 a2 1 ajRk a2 1 - b2 1 1 - bk2 = k2ef f -, при Q2L Q2 Q2H, C2 = - Q10 - Q20 + d1 - d2, Q1 - 2 a2 2 a(T 2)H (12) k2 =(k2)H, при Q2 > Q2H, (7) параметры a 1, b1, a2, b2, d1, d2 могут быть выражены в (1 - (T 2)H)(2)H виде a1 = - (1 - 1)k1 +, (k2)HQ2H -(k2)LQ2L ((k2)H-(k2)L)Q2LQ2H где k2ef f =, jRk =, Q2H -Q2L Q2H -Q2L b1 = 1k2ef f, a2 = 2k1, Q2L = qN2Wp, Q2H =(1/ )qN2Wp, — малый параметр, определяющий уровень инжекции в широкой базе ( 0.1). Отметим, что параметр k2ef f близок по велиb2 = - (1 - 2)k2ef f +, d1 = -1( jRk + JR1), 2ef f чине к (k2)H. Действительно, d2 = - jR - 2 jR2 +(1 - 2) jRk, а величины 1 и (k2)H - (k2)L k2ef f = являются корнями характеристического уравнения си1 - стемы (10), которое имеет вид (k2)H +[(k2)H - (k2)L] (k2)H. (8) 2 - (a1 + b2) + a1b2 - a2b1 = 0. (13) Аналогичную аппроксимацию используем для описания изменения величины 2:

При выполнении условия включения тиристора 1 1 1T 1 + 2T 2 > 1 свободный член в левой части урав=, при Q2 Q2L, нения (13) отрицателен: a1b2 - a2b1 < 0 [15]. В этом 2 (2)L случае корни характеристического уравнения 1 и 2 яв1 1 jR ляются действительными и имеют разные знаки. Примем = +, при Q2L Q2 Q2H, 2 (2)ef f Qдля определенности, что 1 > 0, а 2 < 0. Подставляя значения 1 и 2 в (11), а затем полученные величи1 ны Q1 и Q2 в соотношение (6), легко показать, что =, при Q2 > Q2H, (9) 2 (2)H существованию стационарного состояния, отвечающего где Q2L, Q2H, определены так же, как и выше, а классической концепции критического заряда, соответQ2H Q2L - ствует условие ((2)H-(2)L)Q2H Q2L 1 (2)H (2)L jR = и =.

C1 = 0. (14) (Q2H -Q2L)(2)H(2)L (2)ef f Q2H -Q2L Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Новый физический механизм формирования критического заряда включения тиристорных структур Учитывая, что 1/1 r (здесь r — постоянная нараста- содержится, поскольку постоянная нарастания тока при ния тока при включении тиристора), из условия (14) по- включении тиристора r также зависит от 1 и 2. Вослучим условие возникновения критического состояния в пользовавшись выражениями для r из работы [10], легко тиристоре получить dQcr/d1 < 0 и dQcr/d2 < 0, что полностью Q10 + Q20 = Qcr, (15) соответствует результатам простого качественного рассмотрения.

1-aгде = — коэффициент эффективности заряда, aОтметим, наконец, что соотношение (16) имеет обнакопленного в широкой базе [1], а величина критичещий вид и описывает величину критического заряда ского заряда Qcr определяется следующим выражением:

как в тиристорах на основе Si, так и в тиристорах на основе SiC. Следует просто учитывать, что в кремниевых Qcr = r 1( jR1 + jRk) +( jR + 2 jR2 - (1 - 2) jRk).

тиристорах обычно широкая база оказывается n-типа, а (16) узкая — p-типа. При этом все величины с индексом Полученное выражение позволяет определить велихарактеризуют свойства неосновных электронов в узкой чину критического заряда для всех известных режибазе p-типа, а величины с индексом 2 определяют мов включения тиристорных структур. В случае, когда свойства неосновных дырок в широкой базе n-типа.

зашунтирован только эмиттерный переход составного Карбид-кремниевые тиристоры отличаются тем, что транзистора с узкой базой ( jR1 = 0, но jR2 = 0), собу них широкая база оказывается p-типа, а узкая — ственные коэффициенты инжекции обоих эмиттерных n-типа. Поэтому при использовании соотношения (16) переходов равны 1 (1 = 2 = 1) и включение происхоследует иметь в виду, что величины с индексом дит при неизменных уровнях инжекции в обоих базовых характеризуют свойства неосновных дырок в узкой базе слоях ( jRk = 0 и jR = 0); выражение (16) вырождается n-типа, а величины с индексом 2 определяют свойства в известный результат, полученный в [1], неосновных электронов в широкой базе p-типа карбидкремниевых тиристоров.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.