WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

6 Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 84 И.В. Грехов, Т.Т. Мнацаканов, С.Н. Юрков, А.Г. Тандоев, Л.С. Костина произойдет лишь в том случае, если ток удержания во При сделанных допущениях решение уравнения (2) с включенном состоянии зашунтированной тиристорной граничными условиями (3) и (4) имеет вид структуры окажется больше анодного тока, протекаю1 Ug щего через прибор в момент запирания. Это и есть (x) =aJ0 (x2 - x2) +, (6) e 2 T критерий для расчета величины Jm.

Найдем ток удержания структуры, показанной на а максимальный потенциал на катодном переходе рис. 5. Очевидно, что этот ток и будет величиной максимального запираемого тока. При проведении расчетов 0 (0) =aJ0 x2 + J0SaRm/T. (7) воспользуемся подходом, развитым в [11,12], основан- e ным на рассмотрении баланса подвижных носителей Отсюда получим заряда в базовой области p-типа.

Полагаем, что в n-базе высокий уровень инжекции, xв p-базе — низкий, инжекция эмиттерного p+-n -пе(x) =0 - aJ0. (8) рехода равномерна по площади, и протекание дырочного тока в n-базе близко к одномерному. Это справедливо, Величина J0, как уже указывалось, связана с Jm поскольку размер ячейки тиристора существенно меньсоотношением ше толщины n-базы.

J0 = Jmp. (9) Распределение напряжения на катодном эмиттерном переходе описывается следующим уравнением В точке „удержания“ dInn + Imp = Im, (10) = a Jsn(exp - 1)(1 - n) - J0, (2) dxгде In — ток электронов, инжектированных катодным + где = Un p/T — нормированное напряжение на эмитэмиттерным переходом;

терном переходе;

p xe a =, Wp T In = NL Jsn exp (x)dx p/Wp — листовое сопротивление p+-базы; n — коэффициент переноса электронов через нее; J0 — плотность равномерно распределенного дырочного тока, протекаю aJщего через коллекторный (центральный) переход. = NLJsn exp(0) erf xe, (11) 2aJ0 Расчет ведется в терминах плотности максимального выключаемого тока, которая определяется как где L — длина ячейки, N — количество ячеек;

Jm = Im/Sa, и плотности тока дырок J0, которая связана с Jm очевидным соотношением J0 = Jmp, где p — (1-p) aJIn = Im = NLJsn exp(0) erf xe, коэффициент передачи транзистора с широкой базой.

n 2aJ0 Поскольку в узкой p+-базе рекомбинация мала, то мож(12) но принять n 1 и пренебречь первым слагаемым в Отсюда можно найти максимальный потенциал на правой части (2). Основной вклад в распределение (x) n+p-эмиттерном переходе в состоянии удержания, вывносит дырочный ток J0, который поступает в p-область разив его через плотность тока удержания Jm = с постоянной плотностью и стекает вдоль нее в затвор.

= Im/(x0LN) =Im/Sa, Именно падение напряжения от протекания этого тока вдоль p+-базы под областью эмиттера и обусловливает Jm (1 - p) 2apJm смещение в проводящем направлении (x) эмиттерного 0 = ln x0.

Jsn n erf(xe apJm/2) перехода.

(13) Условие на левой границе следует из симметрии Плотность тока удержания удобно найти из выражеструктуры ния (7), которое можно представить в следующем виде:

d = 0. (3) dx SaRm xe 0 = J0 + a. (14) На правом конце структуры задается потенциал затвоT ра относительно катода Отсюда с учетом (9) получим (xg) =Ug/T. (4) UВеличина Ug связана с падением напряжения на Jm =, (15) p e сопротивлении разводки катода и канале МОП транзиp Wp x2 + SaRm стора Rm Ug = J0SaRm (5) где U0 = 0/T.

(пренебрегаем небольшим падением напряжения на Выражения (13) и (15) позволяют найти неизвестные участке xg-xe). величины 0 и Jm.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Статические и динамические характеристики мощного интегрального тиристора... Отметим, что для кремниевого pn-перехода с достаточной для практических оценок точностью можно положить 0 = 0.8V.

Аналогичные вычисления для топологии n+-эмиттера типа „круг“ с радиусом Re дают UJm =. (16) p e p Wp R2 + SaRm Дырочный ток (Jmp), собираемый коллекторным переходом, поступает в p+-базу и, поскольку рекомбинация мала, он практически весь течет вдоль базы к затвору и далее через цепь внешнего шунта. Падение напряжения при протекании этого тока через сопротивление растекания p+-базы и через внешнее сопротивление Rm определяет прямое смещение катодного эмиттерного перехода. Зная листовое сопротивление p+-базы, размер эмиттера, сопротивление канала МОП трензистора и базовой разводки, можно найти максимальную величину Рис. 6. Зависимость максимального запираемого тока от запираемого прямого тока. Поскольку нас интересует величины сопротивления Rm = RMOS + Rmet, включающего в именно ток, а не его плотность, удобно представить себя сопротивление канала МОП транзистора RMOS и сопросоотношения (15) и (16) в виде тивление металлизации Rmet. Сплошные кривые — вариант (a), пунктир — вариант (b). 1 — топология „круг“, 2 —полосковая UIm =, топология.

p[Rr + Rm] где Rr — величина сопротивления растекания p+-базы.

Для полосковой топологии величина Rr может быть растекания p+-базы, для того чтобы не ухудшать харакпредставлена как (см. выражение (15)) теристики процесса запирания. Поскольку напряжение в цепи эмиттер-база интегрального тиристора даже p x2 e (Rr)p =, при форсированном включении не превышает 20 V, то Wp 2 Sa выключающий МОП транзистор может быть низковольтным. В настоящее время силовые МОП транзиа для круглой топологии сторы с рабочим напряжением 30-60 V и очень малым сопротивлением канала серийно выпускаются промышp R2 e (Rr )c =.

ленностью; например, транзистор SPP80N06S2L-05 фирWp 4 Sa мы Infinion на средний ток 300 A и напряжение 55 V -имеет сопротивление канала 0.0038. Если принять, Расчет листового сопротивления pWp p+-базы под n+-эмиттером, выполненный с помощью специ- например, что в шунтирующей цепи 25% критического напряжения (0.8 V) будет падать на сопротивлении каальной подпрограммы, показал, что для структуры -нала, а остальные 75% — на сопротивлении растекания рис. 2, a pWp = 2.12 · 104, а для структуры рис. 2, b -и металлизации рассматриваемого выше тиристорного pWp = 1.59 · 104.

чипа (содержащего 8000 микротиристоров с размером На основе полученных соотношений были сделаны эмиттера 30 30 µm), то такой транзистор может обесоценки предельной величины выключаемого тока Im для печить выключение тока в 50 A.

прибора, состоящего из 8000 микротиристоров с размером эмиттера 30 30 µm и распределением легирующих Оценки показывают, что для выбранной топологии примесей, приведенным на рис. 2, a, b. При времени структуры сопротивление металлизации оказывается жизни носителей в n-базе при высоком уровне инжекции равным Rmet = 0.008. На рис. 6 приведены расчетные HL = 15 µs (что соответствует p 0.35) и суммарном зависимости максимального запираемого тока Im от сопротивлении канала МОП транзистора и разводки сопротивления Rm включающего в себя сопротивление Rm = 0.028 величина Im для полосковой топологии канала МОП транзистора RMOS и сопротивление месоставляла 12.2 (структура рис. 2, a) и 15.8 A (структура таллизации Rmet: Rm = RMOS + Rmet для обоих варианрис. 2, b), а для круглой топологии Im = 21.3 и 25.7 A тов конструкции микротиристора (рис. 2, a, b). Графики соответственно. показывают, что вариант 2, b и топология „круг“ сущеВыбор значения Rm = 0.028 является в опреде- ственно лучше варианта 2, a и полосковой топологии, ленной степени ориентировочным: желательно, чтобы а уменьшение величины Rm позволяет существенно эта величина была существенно меньше сопротивления повысить значение Im.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 86 И.В. Грехов, Т.Т. Мнацаканов, С.Н. Юрков, А.Г. Тандоев, Л.С. Костина сопротивление шунтирующей цепи и чем больше концентрация плазмы у коллектора (т. е. чем больше HL).

Эти тенденции совершенно явно прослеживаются на рис. 7 и 8. Вместе с тем следует отметить, что такое качественное объяснение не учитывает всех особенностей процесса при приближении величины запираемого тока к предельному значению. Выяснение этих особенностей требует дополнительного исследования, и этому предполагается посвятить отдельную работу.

В области малых токов спад сильно затянут. Этот эффект аналогичен наблюдаемому в обычных запираемых тиристорах (GTO) и связан с большим количеством плазмы у анодного p+n n-инжектора, которое тем меньше, чем меньше HL. Поскольку медленный спад тока происходит, когда напряжение на приборе уже велико, коммутационные потери на этом этапе могут быть большими.

Как уже указвалось выше, принципиальной особенностью рассматриваемого прибора по сравнению с GTO является то, что для его выключения необходима очень Рис. 7. Переходный процесс выключения тиристорного чипа малая энергия в цепи управления, т. е. та, которая для различных значений сопротивления растекания Rr p+-батребуется для зарядки емкости затвора и формирования зы: 1 — Rr = 0, 2 — 0.075, 3 —0.1.

канала управляющего МОП транзистора. Поэтому, в частности, МОП транзистор может находиться во включенном состоянии в течении большей части времени 4) Динамика процесса спада тока при вырабочего цикла и выключаться непосредственно перед к л ю ч е н и и. Численное моделирование процесса выподачей включающего импульса на время протекания ключения проводилось с помощью программы „Исслепрямого тока. Это позволяет существенно увеличить дование“ [9]. На рис. 7 приведены результаты численного устойчивость интегрального тиристора к резким всплесрасчета переходного процесса спада тока при начальной кам напряжения (dU/dt — стойкость) в выключенном плотности 200 A/cm2 для чипа из 8000 микротиристосостоянии и улучшить температурную стабильность наров, описанного в предыдущем разделе (HL = 7 µs).

пряжения переключения.

Для наглядной оценки вклада компонент шунтирующей цепи был рассчитан процесс без учета сопротивления растекания (Rr = 0) при Rm = 0.028 (кривая 1), при Rr = 0.075 и Rm = 0.028 (кривая 2), а также при Rr = 0.1 и Rm = 0.028 (кривая 3). На рис. 8 приведены результаты расчета спада тока для различных значений HL в пределах от 7 до 20 µs при Rr = 0.и RMOS = 0.028.

Результаты, представленные на рис. 7 и 8, свидетельствуют о существовании временной задержки на начальном этапе переходного процесса. Качественно эти результаты могут быть объяснены следующим образом.

В проводящем состоянии p- и n-базовые слои тиристорной структуры заполнены электронно-дырочной плазмой, а коллекторный pn-переход смещен в прямом направлении. После включения МОП тразистора инжекция электронов n+p+-эмиттером уменьшается, так как значительная часть дырочного тока протекает по шунтирующей цепи, падение напряжения на которой меньше порога „сильной“ инжекции электронов ( 0.8V). Это приводит к рассасыванию плазмы сначала в p-базе, а затем и в приколлекторной части n-базы; напряжение Рис. 8. Переходный процесс выключения тиристорного чипа на коллекторе меняет знак, и начинается резкий спад для различных значений времени жизни неосновных носителей тока. Задержка спада тока должна быть тем больше, заряда в n-базе при высоком уровне инжекции HL: 1 — 7, чем медленнее рассасывается плазма, т. е. чем больше 2 — 10, 3 — 15, 4 —20 µs.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Статические и динамические характеристики мощного интегрального тиристора... Заключение [6] Huang Q., Amartunga A.J., Narayaman E.M.S., Milne W.I. // IEEE Trans. Electron Devices. 1991. Vol. ED-38. P. 1612– 1618.

Суммарное сопротивление цепи, шунтирующей [7] Temple V.A.K. // Proc. European Pulse Power Symp. Saint n+-p+-эмиттерный переход интегрального тиристора Louis (France). 2002. P. 19/1–19/3.

для его выключения, является одним из наиболее [8] Huang Q. // Report Prepared for Silicon Power Corporation важных параметров, определяющих динамику процесса by CPES. Virginia Tech. 2001.

выключения и максимальную величину выключаемого [9] Landsberg P.T., Kousik G.S. // J. Appl. Phys. 1984. Vol. 56.

тока. Это сопротивление складывается из сопротивления P. 1696–1699.

[10] Mnatsakanov T.T., Rostovtsev I.I., Philatov N.I. // Sol. St.

растекания p+-базовых слоев микротиристоров, металElectron. 1987. Vol. 30. P. 579.

лизированной разводки базы тиристорного чипа [11] Кузьмин В.А., Юрков С.Н. // РиЭ. 1999. Т. 44. № 1. С. 118– и сопротивления канала внешнего МОП транзистора.

121.

Падение напряжения на этой цепи не должно превышать [12] Кузьмин В.А., Юрков С.Н., Тандоев А.Г. // РиЭ. 1990. Т. 35.

0.8 V при протекании выключаемого тока. Численный № 11. С. 2389–2390.

расчет прямой ВАХ микротиристора с учетом нелинейных эффектов показал, что повышение концентрации примеси в p+-базе микротиристора выше 2 · 1018 cm-ведет к резкому росту прямого падения напряжения, поэтому для уменьшения сопротивления растекания до приемлемой величины требуется уменьшение ширины катодного эмиттера микротиристора до нескольких десятков микрон.

В работе получены аналитические соотношения, связывающие величину максимального запираемого в микротиристорном чипе тока с параметрами шунтирующей цепи. Проведены оценки предельного выключаемого тока для чипа из 8000 микротиристоров в зависимости от сопротивления растекания и разводки тиристорного чипа и от сопротивления канала МОП транзистора.

Численное моделирование процесса спада тока показало, что при включении МОП транзистора ток после некоторой задержки быстро (за доли микросекунды) спадает примерно на 90%, а затем следует участок более медленного спада. В целом, результаты проведенных расчетов показывают, что прибор на основе интегрального тиристора, выключаемого мощным низковольтным МОП транзистором, имеет достаточно хорошие характеристики для широкого применения в преобразовательной технике в области средних и больших мощностей.

Технологический процесс изготовления микротиристорного чипа представляется достаточно простым, однако выбор оптимального размера микротиристорной ячейки требует специального расчета.

Список литературы [1] Baliga B.J. Power Semiconductor Devices, Boston: PWS Publishing. Company, 1994. 600 p.

[2] Baliga B.J., Adler M.S., Love R.P., Gray P.V., Zommer N. // IEEE Trans. Electron. Devices. 1984. Vol. ED-31. P. 821–828, [3] Thapar N., Baliga B.J. // IEEE Symp. on Power Semiconductor Devices and Ics, 1994. Abstr. 4.3.

[4] Temple V.A.K. // IEEE Trans. Electron Devices. 1986.

Vol. ED-33. P. 1609–1618.

[5] Bauer F., Hollenbeck H., Stockmeier T., Fihtner W. // IEEE Electron Device Lett. 1991. Vol. EDL-12. P. 297–299.

Pages:     | 1 ||



© 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.