WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

условия), можно получить ряд значений j B(xi ) и jE(xi). Видно, что при высоких плотностях тока главную роль Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния причине, что при повышении степени насыщения транзисторов во включенном состоянии время их включения уменьшается, в то время как время выключения, напротив, увеличивается. Время выключения исследованных транзисторов существенно уменьшалось при пропускании через переход база–эмиттер импульса обратного тока (рис. 11). Перед выключением транзистор находился в состоянии глубокого насыщения: параметр насыщения N =(Ib - ICsat)/ICsat = 3. Кривые 1 на рис. 11 иллюстрируют обычный процесс выключения, за счет обрыва до нуля базового тока (в нашем эксперименте время спада тока базы, задаваемое внешней схемой управления, составляло 35 нс). Суммарное время выключения, включающее задержку и спад тока коллектора, составляло около 250 нс (при N = 3 время включения транзистора в схеме ОЭ составляло около 50 нс, т. е. в 5 раз меньше времени выключения). Однако при смене полярности напряжения на управляющем электроде (так, как это делается при лэксовских испытаниях диодов) время выключения транзисторов уменьшалось до 25 нс (кривые на рис. 11). При этом через управляющий переход проходил импульс обратного тока амплитудой 0.7 А, напоминающий диаграмму тока при переключении диода с прямого направления на обратное: неосновные носители (электроны) удаляются из базы транзистора обратным током эмиттерного перехода. Интересно, что ток коллектора полностью обрывается к тому моменту, когда в базе еще остается значительное количество Рис. 11. a — осциллограммы тока базы и b — тока неравновесных носителей. Обратный ток эмиттерного коллектора при выключении 4H-SiC BJTs обычным способом перехода протекает в течение 120 нс после обрыва тока (1) и при смене полярности напряжения на базе (2).

коллектора.

4. Тиристоры (GTOs) в уменьшении B с увеличением IC играют уменьшение коэффициента инжекции эмиттера, которое существенно Исследованные 2.6-кВ тиристоры имеют блокируусиливается эффектом оттеснения тока эмиттера. Роль ющую базу p-типа проводимости: концентрация приэффекта оттеснения проиллюстрирована на рис. 10, b, месей (акцепторов) в блокирующей базе составляет где представлен результат расчетов для гипотетического 7 · 1014 см-3, а ее толщина — 50 мкм. Эмиттерные слои случая полной ионизации акцепторов в базе: pB = NA.

легированы до концентрации 1 · 1019 cм-3. Концентра3.2. Динамические характеристики Время включения исследованных 1.8-кВ транзисторов (около 130 нс при включении в активном режиме в схеме ОЭ) определяется перезарядкой его коллекторной емкости с учетом эффекта Миллера. При включении транзисторов в режим насыщения постоянная времени нарастания тока коллектора несколько увеличивалась из-за увеличения емкости коллектора, как начальной (за счет уменьшения напряжения источника питания в коллекторной цепи), так и конечной (за счет того, что коллекторный переход после включения находится под прямым напряжением).

В биполярных приборах самым медленным процессом, ограничивающим предельную рабочую частоту приборов, является, как правило, выключение. Для мощных ключевых BJTs эта проблема особенно актуальна по той Рис. 12. ВАХ 2.6-кВ тиристора в открытом состоянии.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 906 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal ция электронов в тонкой n-базе составляет величину соответствующей транзисторной секции. Данное вырапорядка 1018 см-3. Приборы имеют встречно-штыревую жение отличается от известного выражения для поконфигурацию электродов анода и затвора. Суммарная стоянной времени нарастания тока в кремниевых типлощадь анода составляет 3.7 · 10-3 см2. Кроме 2.6-кВ ристорах [59] тем, что в нем коэффициенты инжектиристоров, исследовались относительно низковольтные ции эмиттерных переходов предполагаются отличными (400-700 В) тиристоры, которые имеют простейшую от единицы (для Si-тиристоров i = 1). Как нетрудконфигурацию с боковым управляющим электродом.

но видеть из формулы (9), в пределе малых коВольт-амперные характеристики исследованных эффициентов инжекции эмиттерных переходов, когда 2.6-кВ тиристоров во включенном состоянии оказались (1 + 2) =(1T 1 + 2T 2) =1 + ( 1), постоянная похожими на прямые ВАХ 6-кВ диодов (ср. рис. времени нарастания тока r уменьшается с ростом и 12). Это говорит о том, что время жизни ННЗ в коэффициента инжекции:

блокирующей базе тиристоров должно быть близким по величине к времени жизни ННЗ в базе диодов. В данном (1 - 1T 1)2 +(1 - 2T 2)r =. (10) обзоре мы не будем детально останавливаться на ВАХ 1T 1 + 2T 2 - тиристоров и рассмотрим подробнее характеристики их включения и выключения [48–54].

Компьютерный расчет по программе „Исследование“ дополнительно подтвердил предположение о том, что большая энергия ионизации акцепторов в 4H-SiC — 4.1. Включение по управляющему электроду это основная причина, по которой 4H-SiC тиристоры На рис. 13 показана зависимость минимального тока быстрее включаются при повышенных температурах.

управления IG min, необходимого для включения 2.6-кВ тиристоров, от температуры. Как видно, этот ток монотонно уменьшается при нагревании в интервале от 300 до 500 K. Длительность фазы нарастания тока через тиристор (r ) так же монотонно уменьшается с ростом температуры (см. рис. 14, на котором показаны временные диаграммы нарастания тока при включении тиристоров). Наблюдаемая температурная зависимость r является „аномальной“ (такая же зависимость наблюдалась в работе [55]) по сравнению с тиристорами на основе Si и GaAs. В тиристорах Si и GaAs r возрастает при повышении температуры из-за падения подвижности носителей, коэффициента диффузии и насыщенной скорости носителей (отметим, что в карбиде кремния эти величины также уменьшаются при нагревании).

Качественно эффект ускорения включения 4H-SiC тиристоров при нагревании объясняется дополнительРис. 13. Зависимость минимального тока управления, необхоной ионизацией акцепторов (при комнатной темперадимого для включения 2.6-кВ тиристора, от температуры.

туре только 1-2% атомов Al в эмиттере ионизованы из-за относительно большой энергии их ионизации), ростом коэффициента инжекции эмиттерного перехода и увеличением коэффициента усиления транзисторной p-n-p-секции. Подробный анализ этого эффекта на основе метода заряда [56–58] дал следующее выражение для постоянной времени нарастания тока:

r = [(1 - 1T )2 +(1- 2T )1]2 + 4(1T 1 2 - 1)+2T 1T 1 + 2T 2 - (1 - 1T 1)2 +(1 - 2T 2)+, (9) 1T 1 + 2T 2 - где i, Ti, i (i = 1, 2) — коэффициент инжекции эмиттерного перехода, транспортный коэффициент и вре- Рис. 14. Временные диаграммы нарастания тока при включемя диффузионного пролета носителей через базу для нии 2.6-кВ тиристоров по управляющему электроду.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния наиболее однородно. При минимальном токе управления, еще включающем тиристор, критическая плотность носителей достигается в наиболее „слабой“ точке. Если критическая плотность в других точках структуры заметно больше, то включение осуществляется только в узком „шнуре“ вокруг слабой точки. При этом плотность тока в таком шнуре во много раз больше, чем в случае однородного включения. Соответственно во столько же раз больше оказывается и напряженность электрического поля в канале включения. Скорость нарастания тока при включении в этом случае заметно возрастает (при одних и тех же значениях тока и напряжения).

На рис. 16 показаны зависимости тока от времени при включении 2.6-кВ тиристора при различных значениях катодного напряжения VC и максимальном токе Рис. 15. Температурная зависимость критической плотности управления IG. Как видно, время включения уменьшаносителей при включении 2.6-кВ тиристоров по управляющему ется с увеличением VC. На рис. 17 показана картиэлектроду.

на включения при максимальном (кривая 1) и миниУменьшение минимального тока управления при нагревании обусловлено главным образом увеличением времени жизни ННЗ и соответствующим уменьшением „критического заряда“ (Qcr ) включения тиристора. При включении по управляющему электроду критическую плотность носителей ncr в „тонкой“ базе (толщиной Wn) можно оценить следующим образом [60]:

Qcr jg minr ncr. (11) qWn qWn Температурная зависимость критической плотности носителей заряда, рассчитанная по формуле (11) с использованием экспериментальных данных (рис. 13 и 14), представлена на рис. 15. При комнатной температуре ncr 2.7 · 1016 см-3. Как будет показано далее, эта величина близка к ncr при включении тиристоров световыми Рис. 16. Зависимости тока от времени при включении 2.6-кВ импульсами. При нагревании до 500 K величина ncr тиристора при различных значениях катодного напряжения VC уменьшается до 4.3 · 1014 см-3, т. е. почти на 2 порядка и максимальном токе управления. T = 293 K.

величины.

Что касается однородности процесса включения исследованных тиристоров, то об этом можно судить по однородности рекомбинационного излучения из включенной части прибора. Как оказалось, в исследованных 2.6-кВ тиристорах это излучение распределено однородно по всей площади даже при минимальном токе, близком к току удержания IC Ih. В 400-B тиристорах при IC Ih включенной оказывалась лишь 1/8 часть от общей площади прибора [61].

Однородность рекомбинационного свечения в стационарном состоянии еще не гарантирует однородности включения в процессе нарастания тока. Представление о степени однородности в процессе включения можно получить, исследуя временные зависимости тока через тиристор и падения напряжения на нем при различных величинах токов управления [62]. При больших токах управления необходимый для включения критический Рис. 17. Осциллограммы тока при включении 2.6-кВ тиризаряд вводится вдоль всей линии раздела эмиттер– стора при IG = 0.16 А (кривая 1) и IG = 0.02 А (кривая 2).

база со значительным запасом, и включение происходит VC = 270 В. T = 293 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 908 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal мальном (кривая 2) значениях IG (при фиксированном VC = 270 В). Как видно, время задержки включения (это время в Si-тиристорах увеличивается при уменьшении тока управления [63]) отличается более чем в 10 раз.

Однако на фронте включения временные зависимости тока практически идентичны, что свидетельствует об однородном процессе включения исследованных тиристоров практически по всей площади.

Важно отметить, что в SiC-тиристорах условия для однородного включения реализовать проще, чем в мощных Si-тиристорах. Дело в том, что в 4H-SiC тиристорах длительность фазы быстрого нарастания тока (f ), фазы диффузионного перераспределения ННЗ в базах тиристора (d) и фазы распространения включенного состояния (sp) могут иметь один порядок величины Рис. 18. Временные диаграммы включения 2.6-кВ тиристора (доли микросекунды), тогда как для Si-тиристоров хапри освещении световыми импульсами разной интенсивности:

рактерно соотношение f

Si-тиристорах достигает десятков и сотен микросекунд из-за их относительно большого поперечного размера).

ННЗ — тиристор не включится. Если возникший при 4.2. Включение импульсами облучении заряд немного превышает критический, то ультрафиолетового лазера будет происходить дальнейшее его накопление за счет В работах [64,65] была продемонстрирована возмож- положительной обратной связи в тиристоре — тиристор ность сверхбыстрого однородного включения кремни- спонтанно включится. При этом процесс включения евых тиристоров достаточно мощными световыми им- будет контролироваться диффузией ННЗ аналогично пульсами. Как было показано, для быстрого включе- тому, как это происходит при включении по управляния необходимо, чтобы число фотогенерированных в ющему электроду. При известном коэффициенте поглоструктуре неравновесных носителей было сравнимо с щения света легко оценить критическую плотность ННЗ.

их числом в стационарном включенном состоянии при Для исследованных 4H-SiC GTOs она составляет около заданном токе. 2 · 1016 см-3, что близко по величине к критической На рис. 18 показаны временные диаграммы включения плотности ННЗ в мощных Si и GaAs тиристорах.

2.6-кВ 4H-SiC тиристора при освещении импульсами При энергии импульса 0.8 мкДж возможный фототок ультрафиолетового азотного лазера ЛГ-21 (длина вол- оценивается величиной около 30 А. В то же время в ны 337 нм, длительность 7 нс) разной интенсивности. нашем случае внешний ток был ограничен (напряже„Пороговая“ энергия, необходимая для включения ти- нием прямого смещения и сопротивлением нагрузки) ристора, составляла около 40 нДж. В этих условиях величиной 9 А. Это означает, что во время световопроцесс включения тиристора был аналогичен процессу го импульса блокирующий переход насыщен: он окаего включения по управляющему электроду — полное зывается „залитым“ неравновесными носителями, так время включения составляло около 1 мкс. Однако при что тиристор похож на p-i-n-диод с неравновесным облучении тиристорной структуры неослабленными им- распределением электронно-дырочной плазмы. В этом пульсами света с энергией около 0.8 мкДж время вклю- случае переход к конечному стационарному включенчения уменьшалось до 10 нс, что близко по величине к ному состоянию (после окончания лазерного импульса) длительности самого лазерного импульса.

поддерживается быстрым дрейфовым механизмом. И что С точки зрения динамики накопления ННЗ в ти- важно, переход к стационарному состоянию происходит ристорной структуре полученные результаты объясняпри неизменном токе через тиристор (во время этого ются следующим образом. С учетом того что время перехода несколько изменяется падение напряжения на жизни ННЗ в блокирующей базе составляет десятые тиристоре). А именно, время включения тиристора, доли микросекунды (см. далее), лазерный импульс длиопределяемое как длительность нарастания тока, задательностью 7 нс можно рассматривать как -образное ется длительностью лазерного импульса.

воздействие. Световой импульс возбуждает большой по величине фототок, пропорциональный скорости фотоге4.3. О критическом заряде включения нерации носителей. Отметим, что внешний ток поддерSiC-тиристоров живается при этом инжекцией носителей из эмиттеров.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |



© 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.