Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. STRONG Анализ состояния проблемы и постановка задачи
STRONG 1.1. Конструкция и физические основы работы тиристора 14
1.2. Математическое моделирование тиристорных структур 17
1.2.1. Феноменологическая система дифференциальных 18 уравнений полупроводника
1.2.2. Некоторые физические эффекты, учитывающиеся при математическом моделировании полупроводниковых приборов
1.2.3. Численное моделирование тиристорных структур 28
1.2.4. Аналитическое моделирование тиристоров 30
1.2.4.1. Аналитическая модель статической вольтамперной характеристики тиристоров в открытом состоянии
1.2.4.2, Процесс обратного восстановления тиристоров 33
1.3. Радиационные методы уменьшения времени жизни ННЗ 35
1.4. Оптимизация некоторых характеристик силовых тиристоров
1.5. Выводы и постановка задачи 40
ГЛАВА II. Разработка математической модели тиристора с «мягким» восстановлением 43
2.1. Конструкции моделируемой структуры 43
2.2. Профили распределения концентрации легирующей примеси
2.3. Учет влияния внешней цепи на работу тиристора с «мягким» восстановлением
2.4. Основные уравнения математической модели тиристора с «мягким» восстановлением
2.5. Краевые и начальные условия 56
2.6. Моделирование влияния протонного облучения на основные электрические параметры тиристора с «мягким» восстановлением 58
2.7. Моделирование влияния неоднородного легирования анодного эмиттерного перехода на основные электрические 70
параметры тиристора с «мягким» восстановлением 80
2.8. Выводы 78
ГЛАВА III. Разработка специализированной программы для регулирования величины импульсного напряжения в открытом состоянии и величины заряда обратного восстановления тиристоров при электронном облучении в условиях серийного производства
3.1. Разработка специализированной программы обеспечения для регулирования импульсного напряжения в открытом 81
состоянии тиристоров 98
3.2. Результаты проведения контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии тиристоров с использованием компьютерной программы 90
3.3. Разработка специализированной программы для регулирования заряда обратного восстановления тиристоров
3.4. Результаты проведения контролируемого регулирования заряда обратного восстановления тиристоров с использованием 101 компьютерной программы
3.5. Выводы 108
Заключение 109
Список использованной литературы
- Некоторые физические эффекты, учитывающиеся при математическом моделировании полупроводниковых приборов
- Аналитическое моделирование тиристоров
- Учет влияния внешней цепи на работу тиристора с «мягким» восстановлением
- Результаты проведения контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии тиристоров с использованием компьютерной программы
Введение к работе
Актуальность работы. Силовые полупроводниковые приборы (СПП) являются основной элементной базой силовой преобразовательной техники. Их характеристики определяют эффективность преобразователей, которые применяются во многих областях народного хозяйства -электрифицированном транспорте, в химической и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, самолето- и судостроении, электроэнергетике и станкостроении и т.д.
В преобразователях частоты для частотнорегулируемого асинхронного электропривода, индукционного нагрева и ряда других областей применения широкое распространение получила схема преобразователей частоты на базе автономного инвертора тока (АИТ). В этой схеме применяются конденсаторы, которые сочетают функции компенсации реактивной мощности нагрузки и коммутации тиристоров. Поэтому целесообразность применения в них полностью управляемых приборов (IGBT, IGCT и др.), вместо дешевых и имеющих низкое значение сопротивления в открытом состоянии тиристоров [1-5] не всегда обоснована.
Принципиально важным для тиристоров, использующихся в АИТ, является то, что они должны иметь малую скорость уменьшения тока обратного восстановления (diR/dt). Это обусловлено тем, что в АИТ при переключении тиристоров из включенного состояния обратным напряжением, скорость уменьшения прямого тока (diT/dt) велика и ее значение составляет ~ 20ч-50 А/мкс. В результате этого при применении в АИТ существующих тиристоров амплитуда тока обратного восстановления Оіш)и скорость его уменьшения становятся большими, что приводит к возникновению на них недопустимых перенапряжений (Urm). Форма тока и напряжения на тиристоре при его переключении из открытого состояния (прямой ток равен 1т) обратным напряжением (Ur) приведена на рис. 1. В связи с вышеизложенным возникает задача разработки тиристоров с низким
значением амплитуды тока обратного восстановления и скоростью его уменьшения, имеющих увеличенное значение коэффициента формы тока обратного восстановления (kF= tj/ts). Такие тиристоры по аналогии с диодами с «мягким» восстановлением [6], можно назвать тиристорами с «мягким» восстановлением.
Рис. 1. Форма тока и напряжения на тиристоре при его переключении из открытого состояния обратным напряжением
Исходя из физических принципов работы тиристорной структуры [7-9], видится два способа решения данной задачи.
Первый, это создание зоны повышенной рекомбинации в окрестности анодного эмиттерного р-п перехода с помощью протонного облучения [10-11]. Второй способ - это использование специальной конструкции анодного эмиттерного слоя тиристора, характеризующейся наличием высоколегированных каналов. Решить данную задачу с использованием существующих математических моделей тиристоров [12-15] затруднительно. Это связано с тем, что в их основу полагаются упрощающие предположения (например, одномерный характер распределения концентрации легирующей примеси, пренебрежение некоторыми физическими эффектами, возникающими при больших плотностях токов, такими как электронно-
дырочным рассеиванием, Оже-рекомбинацией и т.п.) [14, 15], которые не позволяют провести точный количественный анализ структуры тиристора. В обоих случаях требуется создание неодномерной модели тиристора, позволяющей рассчитывать параметры и характеристики предлагаемых тиристорных структур.
Задача улучшения динамических характеристик тиристоров, таких как время выключения (tq), заряд обратного восстановления (Q^), связана прежде всего с необходимостью контролируемого регулирования времени жизни (т) неравновесных носителей заряда (ННЗ), а также выбора оптимальных геометрических и электрофизических параметров их полупроводниковых структур [16].
В настоящее время для этого в производстве силовых тиристров широко используются радиационные методы регулирования т (электронное и протонное облучение), поскольку они позволяют проводить контролируемое регулирование времени жизни ННЗ на заключительном этапе изготовления тиристоров, обладают высокой производительностью и воспроизводимостью [17, 18].
Однако уменьшение т возможно только до определенных значений, после чего на тиристоре резко увеличивается величина импульсного напряжения в открытом состоянии (UT). Так как все тиристоры характеризуются предельно допустимыми значениями величины Uy (Utm), при превышении которых тиристоры считаются браком, то для достижения наилучшего распределения тиристоров по динамическим характеристикам (tq и Qn) необходимо, чтобы все приборы партии имели такие значения т, которые обеспечили бы значения TJ-r, близкие к предельным, но не превышающие их. Из-за различия геометрических и электрофизических параметров приборов даже в пределах одной технологической партии, характеризуются разными значениями величин UT и Qn- до облучения и разными скоростями их изменения в процессе облучения. И хотя параметры рекомбинационных центров, вводимых в полупроводник в процессе
7 облучения и профили их распределения являются в настоящее время в
достаточной степени изученными [19, 21], остается нерешенной задача,
связанная с оперативным определением необходимой дозы облучения
индивидуально для каждого прибора в партии в условиях серийного
производства. Эта задача требует создания специализированной программы,
для контролируемого регулирования динамических характеристик тиристора
в условиях серийного производства.
Целью работы является:
разработка квазитрехмерной математической модели тиристора с «мягким» восстановлением, основанной на численном решении полной феноменологической системы уравнений полупроводников и учитывающей: неоднородное распределение концентрации легирующей примеси в анодном эмиттерном слое, природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе протонного и электронного облучения, условия работы тиристора с «мягким» восстановлением в составе электрической схемы. Разработка конструкции и методов создания тиристоров с «мягким» восстановлением с уменьшенным значением амплитуды тока обратного восстановления и увеличенным значением коэффициента формы тока обратного восстановления, а также проведение оптимизации его геометрических и электрофизических параметров;
создание специализированной программы для контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии и заряда обратного восстановления тиристоров в условиях серийного производства, методом электронного облучения, на основе аналитических соотношений, устанавливающих взаимосвязь параметров тиристоров до облучения с режимом их облучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать квазитрехмерную математическую модель тиристора с
«мягким» восстановлением, позволяющую с высокой достоверностью
4 рассчитывать электрические параметры тиристора с «мягким»
восстановлением в зависимости от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры, а также режима протонного и электронного облучения.
2. Используя разработанную математическую модель, провести
исследование влияния протонного облучения тиристора с «мягким»
восстановлением на его электрические параметры: импульсное напряжение
в открытом состоянии, амплитуду тока обратного восстановления,
коэффициент формы тока обратного восстановления,
ii 3. Используя разработанную математическую модель, провести
исследование влияния расположения и размеров низколегированных каналов в анодном эмиттерном слое на его электрические параметры: импульсное напряжение в открытом состоянии, амплитуду тока обратного восстановления, коэффициент формы тока обратного восстановления.
4. Разработать специализированную программу, на основе аналитических соотношений устанавливающих взаимосвязь параметров тиристора до облучения с режимом их облучения, предназначенную для контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом
^ состоянии и заряда обратного восстановления тиристоров в условиях
серийного производства, позволяющую определять необходимую дозу электронного облучения индивидуально для каждого тиристора облучаемой партии приборов.
Методы исследования. Проводится расчет основных электрических характеристик тиристора с «мягким» восстановлением по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры численными методами с использованием возможностей
# программы Dessis (ISE-TCAD) [22].
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Разработана квазитрехмерная математическая модель тиристора с
«мягким» восстановлением в радиально-симметрнчном приближении, позволяющая рассчитывать статическую вольтамперную характеристику тиристора в открытом состоянии, а также процесс обратного восстановления тиристорной структуры при приложении к ней обратного напряжения и учитывающая: влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы тиристора в составе электрической схемы.
Показано, что протонное облучение со стороны анода, с положением максимума рекомбинационных дефектов в n-базовой области в окрестности анодного эмиттерного р-п перехода является наиболее оптимальным способом облучения тиристоров с «мягким» восстановлением.
Показано, что при расположении низколегированного канала под п+-слоем, размер которого равен -350 мкм, при расстоянии между шунтами тиристора 1500 мкм после протонного облучения в п-базу тиристора, в окрестность анодного эмиттерного перехода со стороны анода, достигается лучшее сочетание параметров обратного восстановления (амплитуды тока обратного восстановления и коэффициента формы тока обратного восстановления при заданном значении импульсного напряжения в открытом состоянии) тиристора с «мягким» восстановлением.
Разработана специализированная программа для контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии и заряда обратного восстановления тиристоров, на основе аналитических выражений, устанавливающих взаимосвязь регулируемых параметров от дозы облучения для каждого прибора облучаемой партии в условиях серийного производства.
10 Практическая ценность и реализация результатов.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней разработана
у и апробирована на практике для решения задач проектирования
математическая модель тиристора с «мягким» восстановлением. Значения основных электрических параметров, рассчитанных по разработанной модели тиристора с «мягким» восстановлением, соответствуют средним значениям экспериментальных данных с максимальным отклонением 9,8 %. На основе аналитических соотношений создана специализированная программа для контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии и заряда обратного восстановления в процессе серийного производства. Применение разработанной программы позволяет
ф обеспечить 95-99% попадание в заданный диапазон значений регулируемых
электрических параметров.
На основе результатов, полученных в работе, были разработаны конструкторская документация и технологический процесс изготовления тиристоров с «мягким» восстановлением, а также специализированная программа для контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии и заряда обратного восстановления тиристоров в условиях серийного производства, которая используется на ОАО «Электровыпрямитель».
ф Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях по силовым полупроводниковым приборам (ISPS'02, Прага 2002 г., PCIM 2003, Нюрнберг 2003 г.), "Фундаментальные и прикладные проблемы физики" (Саранск, 2003 г.), на научной конференции "Огаревские чтения" (Саранск, 2003 г.), на научных семинарах Средневолжского математического общества под руководством профессора Воскресенского Е.В. (Саранск, 2005 г.) и на заседаниях кафедры микроэлектроники
^ факультета электронной техники в Мордовском государственном
университете имени Н.П. Огарева (Саранск, 2002, 2003, 2004 и 2005 г.г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях.
В первой главе приведен обзор методов и дан анализ современного состоянии моделирования тиристоров. Рассматриваются способы математического описания работы тиристоров. Исходя из анализа этих данных, в соответствии с поставленной целью работы, сформулированы задачи исследований.
Во второй главе описывается математическая модель тиристора с «мягким» восстановлением, а также обосновываются приближения, сделанные при ее описании. С помощью указанной математической модели проводится исследование влияния положения области повышенной рекомбинации, расположения и размеров низколегированных каналов в анодном эмиттерном слое на параметры процесса обратного восстановления и величину импульсного напряжения в открытом состоянии тиристора с «мягким» восстановлением. Результаты сравниваются с данными экспериментов.
В третьей главе определяются аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь дозы облучения и импульсного напряжения в открытом состоянии или заряда обратного восстановления тиристора в процессе электронного облучения для каждого прибора облучаемой партии в условиях серийного производства. Описывается специализированная программа, созданная на основе вышеуказанных аналитических соотношений. Приводятся результаты использования разработанной программы на партиях серийных тиристоров.
В заключительной части изложены основные результаты и выводы работы.
Автор защищает:
1 Квазитрехмерную математическую модель тиристора с «мягким» восстановлением в радиально-симметричном приближении, позволяющую
12 рассчитывать статическую вольтамперную характеристику тиристора в
открытом состоянии, а также процесс обратного восстановления
тиристорно й структуры при приложении к ней обратного напряжения,
учитывающую: эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации
легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время
жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения
рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре
в процессе электронного или протонного облучения; условия работы
тиристора в составе электрической схемы.
Результаты исследования влияния расположения области повышенной рекомбинации и направления протонного облучения, по отношению к тиристорной структуре, на значения параметров процесса обратного восстановления, полученные с помощью разработанной модели. Показано, что протонное облучение со стороны анода, с положением максимума рекомбинационных дефектов в п-базовой области в окрестности анодного эмиттерного р-n перехода является наиболее оптимальным способом облучения тиристоров с «мягким» восстановлением. Значения рассчитанных электрических параметров тиристора с «мягким» восстановлением для различных значений доз протонного облучения хорошо совпадают с экспериментальными усредненными значениями, с максимальным отклонением 9,8 %.
Результаты исследования влияния расположения и размеров низколегированных каналов в анодном эмиттерном слое на параметры процесса обратного восстановления и величину импульсного напряжения в открытом состоянии тиристора с «мягким» восстановлением, полученные с помощью разработанной модели. В результате расчета было установлено расположение и размер низколегированных каналов в анодном эмиттерном слое по отношению к шунтам в катодном эмиттерном слое тиристора с «мягким» восстановлением, при котором достигается лучшее сочетание параметров обратного восстановления.
13 4 Результаты применения разработанной специализированной
программы для контролируемого регулирования импульсного напряжения в
открытом состоянии и заряда обратного восстановления тиристоров при
электронном облучении в условиях серийного производства. Показано, что
применение в серийном производстве названной программы позволяет
получить 95-99% годных приборов после электронного облучения.
Работа выполнена на кафедре микроэлектроники факультета
электронной техники Мордовского государственного университета имени
Н.П. Огарева.
Некоторые физические эффекты, учитывающиеся при математическом моделировании полупроводниковых приборов
При моделировании прибора, наиболее важными свойствами полупроводникового материала являются: ширина запрещенной зоны и собственная концентрация свободных носителей заряда.
Изменение ширины запрещенной зоны собственного кремния с изменением температуры может быть выражено функцией [26]: Egm=Eg(o)- lL (ui) где Т - температура решетки, Eg(0) - ширина запрещенной зоны при ОК. По результатам работ Slotboom [36-38], Eg(0)=l,1648 эВ, коэффициенты аир равны 4,73 хЮ" эВ/К и 636 К, соответственно. Изменение ширины запрещенной зоны с температурой одинаково распределяется между зоной проводимости и валентной зоной.
В легированных полупроводниках эффективная ширина запрещенной зоны является функцией концентрации легирующей примеси, она сужается с увеличением концентрации примеси свыше Ixl0l7-f-lxl018 см"3. Как следствие, эффект сужения ширины запрещенной зоны оказывает влияние на собственную концентрацию свободных носителей заряда.
Изменение ширины запрещенной зоны под воздействием эффектов высокого легирования рассматриваются как сдвиги краев запрещенной зоны AEg(Ni). Предполагается, что обе границы запрещенной зоны сдвигаются одинаково на AEg(N;)/2. Slotboom и de Graaff [28-30] предложили следующую эмпирическую формулу для материалов р-типа. Ими была разработана так называемая модель "фиктивного сужения ширины запрещенной зоны", которая основывается на измерениях величины unns В п-р-п транзисторах (или НрПі в р-п-р транзисторах, соответственно) при различных уровнях легирования базы и в сравнении с расчетом по одномерной модели коллекторного тока (Эберса-Молла). / NA AEg(NA) = E In (1.12) + 0.5 + J In 1 NA 2 bgn VNref 7 VNref7 где Ebgn = 0,009 эВ, Nref = 10 см , NA — концентрация акцепторной примеси. В последней статье [38], эти значения были скорректированы Ebgn = 0,00692 эВ и Nref = 1,3 х 1017 см "3, С этими параметрами уравнение (1.12) хорошо описывает материалы, как п-типа, так и р-типа проводимости.
Собственная концентрация свободных носителей заряда П;(Т) в монокристаллическом, нелегированном кремнии равна [31]: Е.СО ni(T) = VNca)Nv(T)-e 2 т . (1.13) Если рассматривать эффект сужения ширины запрещенной зоны, то эффективная собственная концентрация определяется следующим выражением: г АЕ0 (1.14) П; eff = П; ехр eff \ 2кТ, Подвижность носителей заряда
Существуют несколько механизмов рассеяния носителей заряда, влияющих на их подвижность: рассеяние носителей на тепловых колебаниях (фононах) кристаллической решетки, рассеяние на ионизированных атомах примеси, а так же на других носителях заряда (электронно-дырочное рассеяние).
Влияние рассеяния на фононах решетки на подвижность свободных носителей заряда описывается зависимостью [32]: (1.15) VToy Ш,р(Т)-Цпо,рО где T - температура решетки, цп0ро - подвижность носителей заряда при рассеивании на фононах при температуре Т0=300К. р;п0=1417 см2/В с - для электронов, цр0 =470,5 см /В с - для дырок. В легированных полупроводниках происходит рассеяние носителей на заряженных ионах примеси, что приводит к снижению их подвижности. Выражение для учета зависимости подвижности от концентрации легирующей примеси для кремния было предложено Masetti и др. [33]: (Т) (Ыб) И-П.Р (Т- Ni ) = P-шіпіЄ N + 1 + С 1 + где N;=ND+NA обозначает полную концентрацию ионизированных примесей. цтіп), iimin2, ji,, Рс, Cn Cs, а и р константы [33].
При высоком уровне инжекции (при концентрациях неравновесных носителей заряда около 5х1016 см"3) на процессы переноса в силовых полупроводниковых приборах на основе кремния начинает заметно влиять электронно-дырочное рассеяние, которое играет существенную роль в отдельных областях прибора уже при плотностях тока J «50-И00 А/см2.
Вклад электронно-дырочного рассеяния в общую подвижность описывается подвижностью д.еЬ. Она объединяется с подвижностями предыдущих моделей (M-dop ) согласно правилу Mathiessen a:
Аналитическое моделирование тиристоров
При протекании прямого тока через тиристор вследствие инжекции из эмиттерного p-n-перехода в их базовых областях возникает повышенная концентрация свободных неравновесных носителей заряда. При длительном протекании тока через прибор процесс инжекции ННЗ уравновешивается их рекомбинацией и в базовых областях и устанавливается динамическое равновесие, при котором в них имеется избыточный заряд свободных носителей заряда. Это явление получило название накопление заряда [4], а сам заряд ННЗ называется накопленным зарядом. При перемене полярности анодного напряжения в базовых областях приборов начинается процесс рассасывания накопленного заряда. Этот процесс обусловлен в основном двумя факторами: выведением ННЗ из базовых областей и их рекомбинацией в этих областях.
Сделаем ряд упрощающих предположений, которые позволят получить для расчета заряда обратного восстановления сравнительно простые аналитические выражения. 1. Собственный ток коллекторного перехода пренебрежимо мал. 2. В базовой области р — типа реализуется режим низкого уровня инжекции. В п - базе уровень инжекции низкий либо высокий. - " 3. Коэффициент инжекции анодного эмигтерного перехода равен 1. 4. Коэффициент инжекции коллекторного перехода равен 1. 5. В период спада прямого тока до нуля коэффициент усиления составляющего р-п-р транзистора ctn постоянен. 6. Справедлива одномерная модель тиристора (рис. 1.4). Ч При сделанных допущениях справедливо соотношение dQ Q Kt) {л ,„N -?=-—+ «« О-44) dt т Ь Р а где i(t) - временная зависимость прямого тока на этапе его спада; Sa - активная площадь тиристора.
Начальным условием для решения уравнения (1.44) является плотность избыточного заряда в n-базе QHaK в момент времени, предшествующий началу процесса выключения
В соответствии с принятым допущением полагаем, что заряд (Qn) в базе убывает только следствии рекомбинации. В настоящее время наиболее широкое применение для регулирования времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в СПП нашли радиационные методы с использованием электронного, гамма и протонного облучения приборов. Подробный обзор работ, посвященный исследованию радиационных дефектов (РД) в кремнии, приведен в монографиях [18-21] и в большом количестве оригинальных работ, в частности [46-67].
Из результатов, полученных в этих работах, следует, что наиболее важными РД, образующимися при облучении кремния электронами, являются такие радиационные дефекты как дивакансий и комплексы вакансий с другими примесями. Сравнение сечений захвата дырок для различных РД показывает, что наиболее эффективными рекомбинационными центрами (РЦ) являются дивакансий и А-центры. Вклад каждого из рекомбинационных центров в уменьшение времени жизни при облучении определяется их параметрами и концентрацией. Поскольку концентрация А-центров при электронном облучении на 1,5- 2 порядка выше, чем концентрация дивакансий, то вклад А-центров оказывается определяющим в уменьшение времени жизни ННЗ. При увеличении энергии облучающих электронов отношение NA/NDB уменьшается.
При облучении потоком высокоэнергетических электронов (когда энергия электронов много выше пороговой энергии дефектообразования) и гамма облучении формируется однородный по толщине структуры профиль распределения рекомбинационных дефектов. Скорости введения перечисленных РД зависят от примесно-дефектного состояния исходного кремния перед облучением, а так же от энергии и интенсивности потока облучающих электронов, температуры, при которой проводится облучение. По результатам работ [17, 68, 69] средние значения скоростей введения А-центров и дивакансий при облучении моноэнергетическими электронами с энергией 7МэВ составляет ЫА/Ф=50Х103 см"1 и NDBM =l,lxl03 см"1 [17, 68, 69], соответственно. Зная дозу облучения по скоростям введения РД, можно определить их концентрацию.
Основной отличительной особенностью протонного облучения по сравнению с электронным облучением является возможность локального уменьшения времен жизни ННЗ как по площади, так и по толщине облучаемых кристаллов. Распределение концентрации РД по длине пробега протонов в Si неравномерно, концентрация РД монотонно и сравнительно медленно возрастает вглубь кристалла от облучаемой поверхности и резко увеличивается в области остановки протонов.
Уменьшение разброса протонов по энергиям в облучающем пучке помимо сужения пика концентрации РД приводит к увеличению концентрации РД в максимуме. Для моноэнергетического пучка протонов с учетом разброса протонов по энергиям полуширина пика концентрации РД при нормальном падении протонов на идеально плоскую поверхность кристалла должна составлять -10 мкм. Естественно, что нарушения идеальности поверхности кристалла (шлифованная поверхность, загрязнения и т.п.) будут приводить к уширению пика концентрации РД и уменьшению значения концентрации РД в максимуме.
Данные работ [59-67] показывают, что при облучении n-Si протонами в его объем вводятся те же РД, что и в случае гамма, либо электронного облучения кристаллов. При этом основными РД, определяющими время жизни ННЗ, также являются А-центры и дивакансии, причем соотношение NA И NDB составляет 54-7. Это соотношение растет с увеличением энергии протонов. Типичное отношение концентраций РД в области остановки протонов и в области вблизи облучаемой поверхности прибора составляет 104-15. Ширина области повышенной рекомбинации составляет 25 мкм.
Учет влияния внешней цепи на работу тиристора с «мягким» восстановлением
Из результатов, представленных на рис, 2.12 и 2.13 следует, что протонное облучение со стороны анода позволяет получить лучшее сочетание характеристик тиристора с «мягким» восстановлением, чем при облучении со стороны катода. Как видно из рис. 2.12 при уменьшении IRM, значение Uy (кривые І и 2) увеличивается значительно быстрее, чем при протонном облучении со стороны анода (кривые 3 и 4). Протонное облучение со стороны анода способствуют более быстрому восстановлению высоковольтного эмиттерного перехода (и малым значениям IRM) И более плавному его спаду (высоким значениям kj?) за счет более медленной рекомбинации избыточного заряда в оставшейся п — базе, свободной от рекомбинационных центров.
На рис. 2.15 представлено распределение неравновесных носителей заряда в тиристоре в открытом состоянии на момент измерения параметра Uy. При перемене полярности анодного напряжения на тиристоре, через него будет протекать обратный ток. При этом вначале будет выводиться избыточный заряд неравновесных носителей заряда, накопленный в окрестности анодного р-п перехода. Так как при протонном облучении со стороны анода в тиристоре с «мягким» восстановлением величина концентрации неравновесных носителей заряда и, следовательно, заряд, накопленный в окрестности восстанавливающегося при этом анодного р-п перехода меньше, чем при протонном облучении со стороны катода и электронном облучении, то и величина заряда (Qs) и времени запаздывания(ts), и, следовательно, величина амплитуды тока обратного восстановления (IRM) У него будет меньше.
На рис. 2.16 представлено распределение неравновесных носителей заряда в тиристоре в открытом состоянии на момент измерения параметра IRM. Как видно из рисунка, для протонного облучения со стороны анода концентрация неравновесных носителей заряда (кривые 3 и 4) выше, чем при облучении со стороны катода (кривые 1 и 2) и электронном облучении (кривая 5), следовательно, и заряд, накопленный в окрестности коллекторного р-п перехода выше, а значит и величина остаточного заряда (Qf) и времени спада обратного тока (tf) при этом будут больше. Это приводит к тому, что при одинаковом значении UT=1,6 В, структуры, облученные электронами или протонами со стороны катода, обладают большими значениями параметра IRM И меньшими значениями параметра kF по сравнению с приборами, облученными протонами со стороны анода.
Из результатов моделирования следует, что наиболее предпочтительным по сочетанию параметров UT, IRM И kF является протонное облучение со стороны анода в n-базу в окрестность анодного эмиттерного р-п перехода.
Для проверки соответствия разработанной модели экспериментальным данным были изготовлены экспериментальные образцы тиристоров в количестве 45 штук, с геометрическими и электрофизическими параметрами, представленными в табл. 2.1. Экспериментальные образцы были облучены протонами в соответствии с табл. 2.2.
Полученные экспериментальные данные сведены в табл. 2.4. В табл. указаны: значения параметров UT, IRM И kF, диапазон изменения измеренных значений экспериментальных параметров; среднеарифметические значения измеренных параметров. Представленные в табл. 2.4 результаты показывают, что расчетные значения и экспериментальные средние значения параметров UT, IRM И kp, полученные для различных значений доз протонного облучения, хорошо совпадают, с максимальным отклонением 9,8 %. На рис. 2.17 - 2.19 показаны фафики зависимостей параметров UT, kF и IRM ОТ дозы протонного облучения. На графиках нанесены средние значения и разброс измеренных параметров.
Разброс экспериментальных данных и их отклонение от расчетных значений параметров Uj, IRM И kp могут быть связаны с погрешностью их измерения, некоторой неточностью в описании зависимости концентраций А-центров и дивакансий от дозы облучения, неравномерностью потока облучения по площади полупроводниковой структуры.
На основании хорошего совпадения расчетных и экспериментальных зависимостей UT, IRM И kF от дозы протонного облучения можно заключить, что разработанная математическая модель позволяет достаточно точно описать поведение тиристора с «мягким» восстановлением, что подтверждается экспериментальными данными.
Моделирование тиристора с «мягким» восстановлением, имеющим конструкцию с неоднородным легированием анодного эмиттерного слоя, проводилось на примере полупроводниковой структуры тиристора с «мягким» восстановлением с диаметром выпрямительного элемента 56 мм, рассчитанной на допустимое напряжение в закрытом состоянии UDRM=2400B.
В процессе моделирования для определения значения импульсного напряжения в открытом состоянии к структуре прикладывается напряжение амплитудой UD=2500 В. Для определения значения амплитуды тока обратного восстановления к структуре прикладывается напряжение амплитудой UD=800 В, значение L = 4 мкГн определяет скорость роста обратного тока через тиристор diR/dt = -25 А/мкс, при значении \]R= 100 В. Данные параметры соответствуют реальным значениям, имеющим место при испытаниях опытных образцов тиристоров с таким же диаметром выпрямительного элемента.
Расчет проводился для базовой полупроводниковой структуры тиристора с «мягким» восстановлением, параметры которой приведены в табл. 2.5 и соответствуют параметрам реальной полупроводниковой структуры тиристора типа Т453-800, изготавливающегося на ОАО «Электровыпрямитель». При моделировании профили распределения легирующих примесей алюминия и бора задавались аналитически в соответствии с параграфом 2.2. При формировании профиля легирующей примеси фосфора использовалось реальное распределение примеси фосфора в тиристоре, полученное экспериментально, для тиристора типа Т453-800. Профиль распределения концентрации легирующих примесей в тиристоре типа Т453-80О, с учетом реального профиля легирующей примеси фосфора, приведен на рис. 2.20.
Результаты проведения контролируемого регулирования импульсного напряжения в открытом состоянии тиристоров с использованием компьютерной программы
В 1.3.3 было показано, что величину заряда обратного восстановления тиристоров с хорошей точностью можно считать прямо пропорциональным т. Поскольку в процессе электронного облучения остальные геометрические и электрофизические параметры полупроводниковых структур изменяются несущественно, можно считать, что зависимость изменения величины Q от дозы облучения (Ф) потоком быстрых электронов аналогична зависимости изменения т от Ф. Поэтому изменение величины Qrr для в.э. в результате его облучения дозой Ф можно описать соотношением (3.16), которое аналогично соотношению (3.5) — = —+ 0Ф , (3.16) Q а а где Q, Qo - значения величины Qn для в.э. после и до облучения соответственно; kg - величина коэффициента деградации заряда обратного восстановления в.э. от дозы облучения при заданном режиме облучения. Из соотношения (3.19) можно выразить величину Ф Ф=7Г7ПГ ЗЛ7 Qo-Q kg
Таким образом, можно рассчитать дозу облучения в.э. В серийном производстве тиристоров, при расчете дозы первого облучения (Ф)) величины кот Для каждого в.э. партии неизвестны, поэтому для того, чтобы не переоблучить партию в.э., величина код- определяется путем облучения контрольных в.э.
После облучения величина Qn- каждого і-того в.э. должна лежать в заданных пределах, то есть, удовлетворять условию (3.20) Qt-AQ Q; Qt+AQ, (3.18) где Qt - требуемое значение величины Q ;. AQ — допустимое значение отклонения заряда обратного восстановления oTQt. Исходя из соотношений (3.17) и (3.18), можно определить минимальную (Фітіл) и максимальную (Фітах) дозу первого облучения ДЛЯ І-ОГО в.э. из соотношений (3.19) и (3.20) Ф - Qoi-(Qt+AQ) піт mm M e% (ЗЛ9) W=go/4a"A0, (3.20) Фактическая доза облучения (ФІФ) і-того В.Э. должно удовлетворять соотношению (3.23) Ф]/тш Ф]/ФйФ/п1ах, (3.21)
После облучения на каждом в.э. необходимо измерить величину Qn (Qfc, где к=1,2...- номер облучения) и у всех в.э., не удовлетворяющих условию (3.21), вычислить значение koj для і-ого в.э. из соотношения (3.22) к0{ = Qoi Qki (3.22) где к — номер облучения (к 1,2...)
Затем для каждого в.э. рассчитать максимальную (Фк+ктах) и минимальную (Фкітіп) дозу повторного (к+1-ого, к=1,2...) облучения из соотношений (3.23) и (3.24), соответственно «W-eaa-f (3.23) Qki(Q(-AQ)kQi v Фш-0"- (3.24)
На основе вышеизложенных соотношений было разработана программа для контролируемого регулирования величины UT. Программа реализована на языке программирования высокого уровня C++ Builder.
Интерфейс программы по контролируемому регулированию параметра Qn реализован также, как и в программе по подбору доз облучения для регулирования параметра UT. При запуске появляется начальное меню программы (рис. 3.1). При выборе пункта меню «НОВАЯ ПАРТИЯ» появляется форма для занесения данных о партии, которые будут необходимы для дальнейших расчетов (рис. 3.1).
На следующем этапе программа разделяет партии тиристоров на группы. Внутри каждой группы тиристоры по значению параметра Qn различаются на 200 мКл и из каждой группы программа производит выбор пяти контрольных в. э. для проведения электронного облучения и выдает номера выбранных контрольных в. э. (аналогично рис. 3.2).
После проведения электронного облучения контрольных в. э. на них измеряют значения параметра Qm и заносят в программу. На основе данных облучения контрольных в. э. программа делает расчет времени облучения из соотношений (3.19 — 3.20) и производит размещение в.э. по позициям на экране облучателя. Электронное облучение партии тиристоров проводится на основе расчетных данных программы (рис. 3,5).
Измеренные значения Q т, полученные после первого облучения партии заносят в программу, выбрав пункт меню «ВТОРОЕ ОБЛУЧЕНИЕ». Для тех в. э., которые после первого облучения не удовлетворяют условию (3.18), в программе производится расчет времени второго облучения по соотношениям (3.22 — 3.24). Второе облучение в.э. партии тиристоров, также как и первое, производится на основе расчетов с деланных программой на этом этапе. Операция повторяется. Значения Qn полученные после второго облучения заносятся в программу при выборе пункта меню «ПОВТОРНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ» (рис. 3.1), Для тех в.э., которые, не удовлетворяют условию (3.20), операция повторяется.
Похожие диссертации на Математическое моделирование тиристора с "мягким" восстановлением и создание специализированной программы для контролируемого регулирования основных параметров тиристоров при электронном облучении
