WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Временная зависимость тока после окончания светового Концепция критического заряда включения тиристора импульса зависит от заряда ННЗ, возникшего в базах оказывается весьма полезной при анализе различных за время облучения. Если этот заряд ниже „критическо- статических и динамических процессов в тиристорных го“, то доминирующим процессом будет рекомбинация структурах. В частности, критический заряд определяет Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния максимально допустимую скорость наброса напряже- утечка“ эмиттера ( jRe f f ). Эта „шунтировка“ отражает ния [60], минимальный ток управления, необходимый вклад в формирование критического заряда нового медля включения тиристора по управляющему электро- ханизма, обусловленного переходом к среднему уровню ду [66], скорость распространения включенного состо- инжекции в блокирующей базе.

яния [67], ток удержания и параметры токовых шнуров [68].

4.4. Выключение импульсным обратным током Как было показано выше, в исследованных 2.6-кВ управляющего перехода 4H-SiC тиристорах критический заряд включения оказался близким по величине к критическому заряду в Si и В данном разделе приводятся результаты исследоGaAs тиристорах. Если исходить из классической теории ваний выключения тиристоров импульсным обратным критического заряда Уварова [60], то в исследованных током управления при температурах 293-500 K.

4H-SiC тиристорах он должен быть на 2–3 порядка При заданном токе катода и фиксированной темпеменьше вследствие отсутствия в этих тиристорах техноратуре коэффициент выключения тиристоров, равный логической шунтировки эмиттера. Это свидетельствует отношению выключаемого тока катода к выключающео том, что в 4H-SiC тиристорах физический механизм му току затвора, K = IC/IG, зависел от длительности формирования критического заряда несколько иной по импульса обратного тока tG: при увеличении длительсравнению с Si и GaAs тиристорами.

ности импульса коэффициент выключения возрастал, а В работе [69] такой новый механизм был обнаружен с затем насыщался при некотором „квазистационарном“ помощью моделирования. Хорошо известно, что S-образ- значении tGst. На рис. 19 показана зависимость отноная вольт-амперная характеристика тиристора достига- сительной величины импульсного выключающего тока ется за счет положительной обратной связи, которая управления (IG/IGst) от tG при разных температурах.

возникает при условии Выключаемый ток катода при каждой температуре выбирался приблизительно в два раза больше тока удержания jco тиристора, который падал с ростом температуры. Как 1T 1 + 2T 2 = 1 -, (12) j видно из рис. 19, величина tGst, соответствующая квагде jco — обратный ток коллекторного перехода; i, Ti зистационарному режиму выключения, увеличивалась с ростом температуры. При T = 293 K она составляла (i = 1, 2) — коэффициент инжекции эмиттерного переоколо 2.5 мкс и становилась больше 10 мкс при нагреве хода и транспортный коэффициент для соответствующей до 500 K. Очевидно, что увеличение tGst с ростом T транзисторной секции. В теории Уварова предполагаетобусловлено увеличением времени жизни ННЗ в блокися, что 2, T 1 и T 2 — константы, и только коэффициент рующей базе тиристора. В работе [71] было предложено инжекции эмиттерного перехода (1), который обычно полуэмпирическое выражение для зависимости IG/IGst имеет технологическую шунтировку, зависит от плотноот tG:

сти протекающего через структуру тока. Переключение кремниевых тиристоров происходит, как правило, при IG/IGst =, (15) tG 1 - exp низких уровнях инжекции в блокирующей базе, поэтому транспортные факторы T 1 и T 2 действительно могут где — параметр, который представляет собой оцесчитаться константами. Зависимость 1 от j очень резкая ночную величину времени жизни носителей в блокирувблизи точки переключения, так что зависимостью 2( j) можно пренебречь. При таких условиях критический заряд включения тиристора рассчитывается по формуле [70] Qcr = r jRo, (13) где jRo — плотность тока утечки зашунтированного эмиттерного перехода. В отличие от кремниевых, исследованные 2.6-кВ 4H-SiC тиристоры переключаются при таких величинах тока управления, которые соответствуют переходу от низких уровней инжекции в блокирующей базе структуры к средним. Для этого случая в работе [69] было получено иное по сравнению с формулой (13) выражение:

Qcr = r 1( jRo + jRe f f ). (14) Данное выражение отличается от формулы (13) тем, Рис. 19. Зависимость относительной величины импульсного что в нем, во-первых, присутствует коэффициент инжек- выключающего тока управления (IG/IGst) от длительности ции 1, а во-вторых, появляется некоторая „добавочная импульса.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 910 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal квазистатическом режиме, уменьшался при нагревании.

При комнатной температуре он был не менее 10 А и уменьшался до 2.3 А при T = 496 K.

Как оказалось, для полного выключения тиристора длительность выключающего импульса должна была быть не менее определенной величины tof f. В противном случае после прекращения импульса тиристор самопроизвольно включался снова. Пример процесса повторного включения при комнатной температуре показан на рис. 21, где приведены временные зависимости тока через тиристор в квазистатическом (длительность импульса закоротки tof f = 20 мкс; кривая 1) и импульсном ( tof f = 0.2 и 0.8 мкс; кривые 2 и 3) режимах. Из общих соображений понятно, что tof f представляет собой интервал времени, в течение которого заряд Рис. 20. Температурная зависимость характеристической по инжектированных в базу носителей уменьшается до стоянной времени.

величины, близкой к критическому заряду включения тиристора. На рис. 22 показана температурная зависимость величины tof f в полулогарифмическом масштабе. Как ющей базе. На рис. 19 сплошными линиями показаны результаты аппроксимации экспериментальных данных по формуле (13). Как видно, при каждой температуре зависимость IG/IGst от tG очень хорошо аппроксимируется формулой (13). На рис. 20 показана температурная зависимость параметра. Как видно, время жизни носителей в блокирующей p0-базе экспоненциально увеличивается приблизительно от 0.6 мкс при комнатной температуре до 3.6 мкс при температуре 500 K. Как величины, так и температурные зависимости времени жизни неравновесных носителей в блокирующей p0-базе высоковольтных 4H-SiC тиристоров оказались близкими к тем, которые были измерены для 6-кВ диодов с базой n0-типа. В обоих типах приборов время жизни при комнатной температуре составляет несколько десятых долей микросекунды и экспоненциально возрастает при повышении температуры с энергией активации в предеРис. 21. Осциллограммы тока через тиристор при выклюлах 0.11-0.13 эВ. На этом основании можно заключить, чении путем закоротки управляющего электрода в квазистачто время жизни неравновесных носителей заряда в тическом (длительность импульса закоротки toff = 20 мкс;

4H-SiC как n-, так и p-типа проводимости с уровнем кривая 1) и импульсном ( tof f = 0.2 и 0.8 мкс; кривые 2 и легирования 1014-1015 см-3 контролируется одними и соответственно) режимах.

теми же рекомбинационными центрами.

4.5. Выключение тиристоров импульсной закороткой управляющего перехода Максимальный ток, который может быть выключен обратным током управляющего электрода, ограничен утечкой и пробоем низковольтного управляющего перехода. При комнатной температуре максимальная величина выключаемого тока составляла около 3.3 А, что соответствует плотности тока около 1000 А/см2.

В работе [72] был продемонстрирован другой способ выключения 4H-SiC тиристоров — с помощью импульсной омической закоротки управляющего перехода. В наших работах с этой целью использовался кремниевый МОП-транзистор, канал которого в открытом состоянии имеет сопротивление около 1 Ом. Максимальный ток катода, который мог быть выключен таким способом в Рис. 22. Температурная зависимость величины t.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния видно, это время растет от 0.8 до 4.3 мкс в интервале аномальной температурной зависимости времени вклютемператур 293-404 K. Энергия активации величины чения тиристоров и существенному увеличению крити tof f (0.12 эВ) близка к энергии активации времени ческого заряда включения по сравнению с тем, который жизни ННЗ. Это показывает, что именно температурная можно было бы ожидать исходя из классической теории зависимость времени жизни дает основной вклад в Уварова. Возможный путь решения проблемы низкой температурную зависимость tof f. инжекционной эффективности p-эмиттеров — это использование гетерополитипных переходов и эмиттеров из более широкозонного нитрида галлия.

5. Выводы и заключение В биполярных транзисторах с базой p-типа при комнатной температуре сильно проявляется эффект отПо результатам исследований мощных биполярных теснения тока к краю эмиттера. При больших токах приборов на основе карбида кремния можно сделать ряд коллектора это приводит к усилению поверхностной реважных выводов.

комбинации, усилению рекомбинации в эмиттере и сниПри комнатной температуре время жизни ННЗ в жению коэффициента усиления транзисторов до 3-х раз 4H-SiC как n-, так и p-типа (с концентрацией донорных по сравнению с тем, которые можно ожидать исходя из и акцепторных примесей в пределах 1014-1015 см-3) времени жизни ННЗ в базе. Несмотря на это, от 4H-SiC может достигать порядка одной микросекунды. Такие BJTs ожидают высокий уровень выходной мощности в времена жизни обеспечивают глубокую модуляцию баВЧ диапазоне [75]. То же относится к СВЧ p-i-nзы выпрямительных диодов, рассчитанных на обратное диодам в качестве микроволновых переключателей [76].

напряжение до 10 кВ.

Другие фундаментальные проблемы, которые еще Время жизин ННЗ экспоненциально растет при повыпредстоит решить — это получить данные об оже-рекомшении температуры с энергией активации 0.11-0.13 эВ, бинации из электрических измерений (сейчас они издостигая нескольких микросекунд при температурах вестны только из оптических измерений), между тем 550-600 K. Такая сильная температурная зависимость оже-рекомбинация определяет коэффициенты инжекции времени жизни приводит к целому ряду следствий.

p+-n0- и n+-p0-переходов и их зависимости от плотНапример, критическая концентрация ННЗ, необходимая для включения тиристора, снижается с 1016 ности тока, исследовать импульсный пробой диодов и влияние на него глубоких уровней; изучить зависимость до 1014 см-3, т. е. на 2 порядка величины.

скорости дрейфа дырок от поля (в настоящее время Важно отметить, что биполярные 4H-SiC приборы такие данные есть только для электронов); исследовать могут быть сконструированы с более тонкой и более деградацию ВАХ при больших плотностях тока (см., насильно легированной блокирующей базой по сравнению пример, [77]) и др.

с кремниевыми и арсенидгаллиевыми приборами (расВ заключение отметим, что помимо достигнутных считанными на одинаковое обратное напряжение). Это важных практических результатов исследования 4H-SiC допускает меньшую величину времени жизни ННЗ в приборов позволили расширить понимание физики поприборах на основе 4H-SiC (при одном и том же отнолупроводниковых приборов вообще — практически все шении W /La). Именно поэтому при высоких плотностях модели, разработанные для описания работы кремниетока SiC-приборы демонстрируют более высокое быстровых приборов, в случае 4H-SiC потребовали пересмотра.

действие и меньшие прямые потери. В частности, при Полученные в результате этих исследований новые температуре около 500 K включение 700-В тиристоров знания должны способствовать расширению областей происходит с постоянной времени около 1 нс [73], а применения полупроводниковых приборов на основе 2.6-кВ тиристоров — с постоянной времени около 30 нс.

широкозонных материалов.

Для 400-В 4H-SiC тиристоров продемонстрированы рекордные значения частоты переключения: 500 кГц при В Cree Inc. работа поддержана Office of Naval Research плотности переключаемого тока 14 кА/см2 и 1 МГц при MURI program (contract No N00014-95-1-1302, monitored плотности тока 2.7 кА/см2 [74]. Это значит, что силовые by Dr. J. Zolper). В ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и ВЭИ рапреобразователи на основе мощных SiC-тиристоров мобота поддержана Российским фондом фундаментальных гут иметь в 5–10 раз большую частоту преобразований, исследований (гранты N 05-02-16541, 05-02-17768).

чем аналогичные кремниевые.

Тем не менее в 4H-SiC существуют и свои специСписок литературы фические проблемы. Так, эффективность ЭДР в SiC оказывается примерно в 2 раза большей, чем в Si, в [1] O. Kordina, C. Hallin, R.C. Glass, A. Henry, E. Janzen. Inst.

4 раза большей, чем в Ge, и в 60 раз большей, чем Phys. Conf. Ser., N 137, 41 (1994); H. Matsunami. Inst. Phys.

в GaAs. При комнатной температуре сильно легироConf. Ser., N 137, 45 (1994).

ванные p+-эмиттеры имеют относительно невысокую [2] D.J. Larkin, P.G. Neudeck, J.A. Powell, L.G. Matus. Inst. Phys.

инжекционную эффективность из-за малого времени Conf. Ser., N 137, 51 (1994).

жизни ННЗ и сравнительно большой энергии иониза[3] O. Kordina, J.P. Bergman, A. Henry, E. Janzen, S. Savage, ции акцепторных примесей в 4H-SiC. Это приводит к J. Andre, L.P. Ramberg, U. Lindefelt, W. Hermansson, увеличению прямого падения напряжения в диодах, к K. Bergman. Appl. Phys. Lett., 67, 1561 (1995).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 912 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal [4] A.K. Agarwal, S.H. Ryu, R. Singh, O. Kordina, J.W. Palmour. [35] T.T. Mnatsakanov, M.E. Levinshtein, P.A. Ivanov, J.W. PalMater. Sci. Forum, 338–342, 1387 (2000). mour, A.G. Tandoev, S.N. Yurkov. J. Appl. Phys., 93, [5] C.F. Huang, J.A. Cooper. IEEE Trans. EDL-24, 396 (2003). (2003).

[6] M.E. Levinshtein, J.W. Palmour, S.L. Rumyantsev, R. Singh. [36] В.А. Кузьмин, Т.Т. Мнацаканов, В.Б. Шуман. Письма ЖТФ, 6, 689 (1980).

Semicond. Sci. Technol., 12, 1498 (1997).

[37] Б.Н. Грессеров, Т.Т. Мнацаканов. ФТП, 24, 1668 (1990).

[7] N.V. Dyakonova, P.A. Ivanov, V.A. Kozlov, M.E. Levinshtein, [38] S.H. Ryu, A.K. Agarwal, R. Singh, J.W. Palmour. IEEE Trans., J.W. Palmour, S.L. Rumyantsev, R. Singh. IEEE Trans., ED-46, EDL-22, 124 (2001).

2188 (1999).

[39] P.A. Ivanov, M.E. Levinshtein, S.L. Rumyantsev, A.K. Agar[8] P.A. Ivanov, M.E. Levinshtein, J.W. Palmour, S.L. Rumyantsev, wal, J.W. Palmour. Sol. St. Electron., 46, 567 (2002).

R. Singh. Semicond. Sci. Technol., 15, 908 (2000).

[40] P.A. Ivanov, M.E. Levinshtein, A.K. Agarwal, J.W. Palmour, [9] P.A. Ivanov, M.E. Levinshtein, K.G. Irvine, O. Kordina, S.-H. Ryu.

Abstract

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 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.