Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Физические принципы работы р-п-р-п структур, выключаемых тскш управления (обзор)
1.1. Общие сведения о р-п-р-п структурах 12
1.1.1. Предпосылки к исследованию многослойных тиристорних структур
1.1.2. Устройство и принцип работы р-п-р-п структур
1.2. Статическая вольт-амперная характеристика р-п-р-п структуры 17
1.2.1. Участок вольт-амперной характеристики структуры в блокирующем состоянии и условие переключения.
1.2.2. Включенное состояние структуры
1.3. Переходный процесс включения р-п-р-п структуры 21
1.3,1, Физическая картина процесса. 1.3.2, Нестационарное условие переключения р-п-р-п структуры.
1.3.3. Нарастание тока и установление стационарного со стояния
1.4. Выключение р-п-р-п структур 24
I.4.I. Основные способы и механизмы. 1.4,2, Выключение р-п-р-п структур по аноду, 1,4.3. Выключение р-п-р-п структур импульсом тока управления. 1.4.4. Процесс сжатия токопроводящей области при выключении структур с большой рабочей площадью
1.5. Общая постановка задачи исследования 33
ГЛАВА II. Переходный процесс выключения р-п-р-п структуры током управления. оценка влияния внутренних полей различной природы
2.1. Введение 38
2.2. Выключение р-п-р-п структуры током управления р-базы при высоком уровне инжекции в п-базе 40
2.3. Влияние встроенных электрических полей на переходный процесс выключения р-п-р-п структуры током управления 46
2.4. Исследование р-п-р-п структур, выключаемых током управления, с переменной концентрацией примеси в широкой базе 53
2.5. Влияние слоя с переменной концентрацией примеси в широкой базе на коэффициент выключения запираемых р-п-р-п структур 61
2.6. Обсуждение результатов 67
ГЛАВА III. Переходный процесс выключения р-п-р-п структур. кшшнированный вариант
3.1. Введение 72
3.2. Эксперименты по комбинированному выключению и их качественная интерпретация 73
3.2.1. Эксперименты по комбинированному выключению (73)
3.2.2. Качественная интерпретация процесса комбиниро ванного выключения тиристоров (76)
3.3. К вопросу о корректности определения времени выключения при комбинированном воздействии 79
3.4. Простая предельная модель механизма выведения электронов из п-базы 81
3.4.1. (81). 3.4.2. Недостатки предельной модели (82)
3.5. Условие выключения структуры 83
3.5.1. (83). 3.5.2. (88)
3.6. Переходный процесс выключения комбинированного выключения р-п-р-п структуры (детальный анализ) 90
3.6.1. Постановка задачи (90). 3.6.2. Стационарные распределения носителей заряда (94). 3.6.3. Этапы переходного процесса выключения (95). 3.6.4. Обсузде-ние результатов (102)
3.7. Обсуждение результатов Ш главы 105
ГЛАВА ІМ. Конвективные процессы на границе в запираемом
4.1. Введение ПО
4.2. Восстановление прямой блокирующей способности р-п-р-п структуры с остаточной плазмой в слаболегированной области III
4.2.1. Конвективные процессы в высоковольтных р-п переходах на границе "плазма - ОПЗ" в условиях нестационарного обратного смещения (III).
4.2.2. Условие переключения р-п-р-п структуры (115)
4.3. Обсуждение результатов 119
4.4. Оценка времени выключения для комбинированно-выключаемого тиристора 122
4.5. Основные результаты по исследованию конвективных процессов 124
ГЛАВА V. Некоторые неодншерше процессы переноса В Р-П-Р-п структурах
5.1. Введение 126
5.2. Влияние магнитного поля на статические и динамические характеристики р-п-р-п структур 128
5.2.1. (128). 5.2.2. Обсуждение результатов (129)
5.3. Исследование скорости распространения включенного состояния в запираемых р-п-р-п структурах 136
5.4. Неодномерные процессы при комбинированном выключении р-п-р-п структур большой площади 143
5.4.1. Введение (143). 5.4.2. Физика неодномерных процессов в цилиндрической ячейке р-п-р-п структуры (146)
5.4.3. Условие выключения неодномерной структуры (150)
5.4.4. Вычисление эффективности двухмерных распределений остаточного заряда (152). 5.4.5. Обсуждение результатов (155)
5.5. Обсуждение результатов по исследованию не одномерных эффектов 158
Приложение 168
Литература 174
- Предпосылки к исследованию многослойных тиристорних структур
- Влияние встроенных электрических полей на переходный процесс выключения р-п-р-п структуры током управления
- Качественная интерпретация процесса комбиниро ванного выключения тиристоров
- Конвективные процессы в высоковольтных р-п переходах на границе "плазма - ОПЗ" в условиях нестационарного обратного смещения (III).
Предпосылки к исследованию многослойных тиристорних структур
Быстрое развитие многих ведущих отраслей народного хозяйства поддерживается и обеспечивается прочной взаимосвязью научных исследований и практических приложений в области физики и техники полупроводниковых приборов с р-п переходами. Существование такой связи обеспечивает на протяжении нескольких десятилетий стабильный интерес к физическим основам тиристоров, как коммутаторов электроэнергии. Первым аналогом тиристора, по-видимому, следует считать предложенный в 1950 г. Шокли транзистор с ловушкой в коллекторе /84/. Уже первые исследования этих приборов ключевого типа указали на обширную область их возможного применения, как надежных заменителей газоразрядных коммутаторов. В течение сравнительно короткого периода благодаря активным исследованиям физики процессов токопереноса в условиях специфической для тиристоров регенеративной обратной связи по току /37/ в последующие десятилетия был достигнут замечательный прогресс в создании широкого ассортимента тиристоров, предназначенных для коммутации мощностей от единиц ватт до десятков гигаватт в стационарных или циклических режимах работы до частот выше 15 кГц.
Значительный вклад в развитие физики и техники мощных полупроводниковых приборов внесли работы, проводимые с 1962 г. в Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе на базе исследований в области физики полупроводников и р-л переходов, а также науч но-исследовательские работы в отраслевых ВИИ и опытно-конструкторские работы на производстве. Указанные всесторонние исследования обеспечили успешное решение ряда проблем энергообеспечения транспорта, промышленности и современного крупномасштабного физического эксперимента /бі/.
Вместе с тем быстрое и успешное развитие технических приложений этой области приборостроения поставило новые задачи по изучению физических процессов в многослойных полупроводниковых структурах. К числу актуальных принадлежат следующие новые вопросы. 1. Выработка адекватных представлений о внутренних физических процессах, исследование и поиск новых механизмов функционирования структур с ключевыми свойствами. 2. Расширение функциональных возможностей по качеству выполнения операций. 3. Улучшение основных функциональных показателей (таких, как коммутируемая мощность, быстродействие и КПД). 4. Создание адекватных моделей описания, предназначенных для использования в системах автоматизации производства. В цикле поставленных вопросов первостепенное значение имеет всестороннее исследование первого вопроса.
В настоящем обзоре мы коснемся научной стороны отмеченной программы и более конкретно тех проблем, которые связаны с разработкой перспективного ключевого прибора нового типа - мощного двухоперационного тиристора, выключаемого током управления, а также структур, управляемых комбинированными воздействиями. Однако прежде чем приступить к конкретному исследованию процессов в многослойных полупроводниковых структурах этих приборов, отметим основные достижения в области физики р-п-р-л структур, создавшие предпосылки к его созданию.
Устройство и принцип работы р-п-р-п структур Тиристорная структура содержит четыре слоя р- и п -типов проводимости, образующих три р-л перехода (рис.1). Внешние /7-и/О-слои, называемые эмиттерными, как правило, сильно легированы, и их проводимость максимальна. Внутренние, базовые, /7 - и.уо-слои легированы меньше эмиттерных и их проводимость низкая.
При подаче на структуру положительного анодного напряжения (таким образом, что на вывод К подается "минус", а на вывод А -W (рисі)) переходи / nj3 оказнвшотоя смещенными в пря-мом направлении, а переход J2 - в обратном. Если поменять полярность напряжения, приложенного к структуре, на обратную, то переходы J± и Ь сместятся в обратном направлении, а переход
А - в прямом. Вольтамперная характеристика (БАХ) структуры представлена на рис.2. Часть ВАХ, изображенную в первом квадранте, называют прямой ветвью, изображенную в третьем квадранте - обратной. Как можно заметить из рис.2, на прямой ветви ВАХ выделяются три участка. Участки I и Ш (с положительным дифференциальным сопротивлением) соответствуют стабильным состояниям структуры с низкой и высокой проводимостью, а участок П (с отрицательным дифференциальным сопротивлением) соответствует нестабильному состоянию. Перевод структуры из стабильного состояния с низкой проводимостью в стабильное с высокой проводимостью может быть осуществлен разными способами: увеличением напряжения, подачей управляющего тока в базовые слои, освещением, повышением температуры и др.
Влияние встроенных электрических полей на переходный процесс выключения р-п-р-п структуры током управления
Анализ полученных результатов показывает, что при высоком уровне инжекции в /7 -базе постоянные времен спада концентраций для двух этапов переходного процесса выключения (задершса и спад тока) определяются такими же уравнениями, как и для соответствующих этапов (установление стационарного состояния и нарастание тока) переходного процесса включения/"48, 60/. Аналогичные результаты для малого уровня инжекции в обеих базах получены в /51/.
На рис.5 представлены зависимости р ? и /%» , являщихся обратными величинами постоянных времен спада, от ширины базового п -слоя и от времени жизни дырок в нем, полученные для случаев низкого и высокого уровней инжекции в п -базе и низкого уровня ин жекции в р -базе численным решением уравнений (2-Ю), (2-19) и соответственно (16), (17) и (28), (29) из/51/ ( С, = 0,5-10-6 с, Л = 33,6 см2/с, Д? = 12,2 см2/с, k; = 0,4.10"2 см).
Из анализа (2-13) этой работы и (20) из/5і/ следует, что при переходе к высокому уровню инжекции в /7 -базе изменяется и условие выключения структуры, причем коэффициент выключения уменьшается.
В этом параграфе рассмотрен переходный процесс выключения базовым током управления при наличии в базовых слоях электрических полей. Анализ проводился при тех же допущениях, что и в п.2.2. Рассматриваемая структура схематически представлена на рис.3.
Изменения концентраций неравновесных неосновных носителей заряда, инжектированных в базовые области структуры, описываются уравнениями непрерывности: выражения для токов неосновных носителей в базах имеют вид:
Из графиков видно, что при наличии полей в базах структуры концентрация неосновных носителей у коллекторного перехода больше, чем при их отсутствии. С удалением от коллектора соотношение концентраций меняется и уже у эмиттерного перехода в /7 -базе концентрация носителей в случае поля становится меньше, чем без поля (у эмиттера в р -базе это не наблюдается из-за малости ее ширины). Такое распределение концентраций является следствием более эффективной доставки неосновных носителей заряда от эмиттерных переходов к коллекторному за счет действия встроенных полей, т.е. наличия дрейфовой составляющей тока в базах структуры.
Анализ выражения (2-28) показывает, что структура будет выключаться, если выполняется условие:
Численный анализ этого условия и аналогичного (20) из работы [ы] для случая отсутствия полей в базах показывает, что наличие полей приводит к снижению эффективности выключения структуры, т.е. для одного и того же анодного тока требуется больший ток управления.
В качестве начальных условий для второго этапа должны быть выражения, описывающие распределения концентраций носителей к концу второго этапа, однако использование этих выражений затруднительно из-за их громоздкости. Расчет существенно упростится, если начальные условия записать в виде:
В этом случае, согласно /53Д форма распределения концентраций носителей заряда в базовых областях будет отличаться от реальной только на начальной стадии процесса.
Из решения уравнений (2-21) с начальными условиями (2-32) и граничными (2-30), (2-31) методом преобразования Лапласа изменение концентраций неравновесных носителей в базах описывается следующими выражениями (для времен, больших собственного времени задержки структуры): а) для электронов в р -базе где Ре - величина, обратная постоянной времени фронта выключения, является действительным корнем уравнения коэффициенты, зависящие от параметров базовых слоев, полей в них и протекающих токов.
Из выражения (2-33) легко определить длительность второго этапа, положив концентрацию у эмиттерного перехода W/ равной нулю:
При Е, ЕІ (2-26) превращается в выражение (31) для длительности второго этапа из работы [blj для случая отсутствия полей в базах.
Следует заметить, что вследствие линеаризации начальных условий и, тем самым, завышения концентраций носителей в области эмит-терных переходов, значение Те , получаемое по (2-36), несколько превышает длительность второго этапа, которая получилась бы при использовании правильных начальных условий. Однако нетрудно убедиться, что на качественной оценке влияния электрических полей на длительность второго этапа это не должно сказаться.
Качественная интерпретация процесса комбиниро ванного выключения тиристоров
Изменение заряда в р -базе в режиме насыщения зависит от того, как изменяется JoSp по отношению к 7/?г. Если JoSp уменьшается быстрее Упг , поток дырок в р -базу, определяемый разностью этих токов, увеличивается и, соответственно, заряд в р -базе возрастает, при обратной ситуации заряд падает. Если изменение Л / соответствует изменению Лг , поток дырок сохраняет свое значение и заряд в р -базе остается постоянным.
Если ток управления на этом этапе имеет величину, достаточную для поддержания rf-p-n транзистора в активном режиме, выведение заряда из структуры будет производиться током Улг. Таким образом, следует ожидать существенную зависимость tg от тока управления на этом этапе, что очень наглядно подтверждается экспериментом (кривая 4, рис.14 ). Этап 5 (участок от ty до Cs).
На этом этапе оба эмиттерных перехода находятся в запорных направлениях, поэтому никакого действия на время выключения ток управления не оказывает (см. рис.14, кривая 4). Этап 6 {t s).
Напряжение во внешней цепи уменьшается, а затем меняет знак. При уменьшении напряжения электроны и дырки из областей с накопленным зарядом оттягиваются к переходам J, zA , восстанавливая электронейтральность в соответствующих областях базовых слоев. При перемене полярности внешнего напряжения оставшийся к этому времени у коллектора заряд поступает в виде избыточных основных носителей в соответствующие базы, вызывая инжекцию из эмиттеров. Когда концентрация неосновных носителей у коллектора достигает равновесного значения, на структуре начинает нарастать напряжение ( = Ґ/, рис.14). Распределения концентраций в базах к этому моменту показано на
рис,15 кривой 6. Если эффективная величина заряда в базах больше критической, то прибор перейдет во включенное состояние/63/.
На этом этапе (t & ) ток управления выводит из/?-базы дырки, поступавшие через переход У«?, а избыточные электроны уходят через переход Л, если ток управления не меньше тока через структуру, переход Jt заперт и не инжектирует электроны. Поэтому при нарастании Unp { } ) структура не включается, даже если в базах остается довольно большой заряд. Это дает дополнительное уменьшение te (кривая 4). Естественно, при этом длительность импульса управления t# должна быть больше, чем Ґ-jf?, на время, необходимое для окончания процесса рекомбинации в базовых слоях структуры.
Из описания этапов видно, что их можно классифицировать по значимости. Этапами выведения зашда назовем те этапы, на которых переход У/ смещен в прямом направлении, то есть избыточная концентрация неосновных носителей больше нуля (на этих этапах возможен непосредственный вывод заряда током управления). В вышеописанном рассмотрении такими этапами являются первый, четвертый и шестой этапы.
Этапами, индифферентными к управлению, назовем этапы с обрат 9 ним смещением на переходе J/ (этапы 2, 3 и 5 в нашем рассмотрении). Один из этапов выведения заряда, а именно, с нулевой концентрацией на коллекторном переходе Л (6 этап) назовем этапом повторной регенерации.
При исследовании переходного процесса выключения /з-/?-/ -/? структур в комбинированном режиме возникает вопрос корректного определения времени выключения (tff). Этот вопрос возникает из-за технической неоднозначности определения t$ в схемах выключения обратным анодным напряжением и током управления.
Так, в схеме запирания "по аноду" окончание процесса выключения определяют моментом перехода через ноль импульса анодного напряжения, уже не достаточного для повторного запуска структуры. С другой стороны, в режиме запирания структур током управления, по интенсивности достаточного для запирания, окончание процесса выключения регистрируется по заднему фронту импульса управления.
В исследуемых нами режимах имеют место оба рассмотренных воздействия, более того, каждое воздействие может быть разбито на серии импульсов. Так как возможно определение времени выключения либо по концу первого воздействия, либо по концу второго, то возникает неоднозначность. Обычно is определяют по концу воздействия импульса анодного напряжения, тогда как на практике импульс управления обязательно будет продолжаться с целью подавления эффектов повторного включения (повторного efl//o/t).
Следовательно, определение te нуждается в коррекции.
Если управляющее воздействие или их совокупность имеет резко выраженное начало и конец (крутые передний и задний фронты), то корректировка определения ъ легко выполнить, основываясь на операции измерения этого физического параметра при моноимпульсном воздействии. Для этого случая достаточно считать, что время выключения равно минимальному промежутку между началом и концом управляющего воздействия, по истечении которого в структуре будут устойчиво преобладать процессы рассасывания над процессами накопления и структура перейдет в блокированное состояние. Следовательно, если суммарное (комбинированное) воздействие тоже будет приводить к аналогичному результату (то есть к устойчивому выключению), то это воздействие следует принять за достаточное для выключения по амплитуде и по длительности.
Конвективные процессы в высоковольтных р-п переходах на границе "плазма - ОПЗ" в условиях нестационарного обратного смещения (III).
Коэффициенты Луї , 4/ї (/= 1,2 ) зависят от параметров структуры, Q/ї t fyc (У = 1,2 ) - от параметров структуры, режима спада тока и начального распределения концентраций.
Первый этап заканчивается, когда концентрация на одном из эмиттерных переходов достигает нулевого значения. При условиях этой задачи первой достигает нуля концентрация у эмиттера вР-базе. Длительность первого этапа Т, находится из условия:
Распределения концентраций носителей к концу этапа являются начальными распределениями для следущего этапа. .Идя представления их в аналитическом виде распределение носителей в р -базе аппроксимируем степенным полиномом второго порядка, в г? -базе (вследствие немонотонной зависимости концентрации от координаты в этой безе) - полиномом четвертого порядка: л,ґх, Т) - С„ хг / С х +С,3 /?г (х, Т,) Сг/х + Сег Xй+ С5Хг +f vX +Cs. Коэффициенты аппроксимации находятся согласно/з/. Второй этап процесса выключения (этап пробоя). В течение этого этапа выключения переход / пробит, концент-рация на эмиттерном переходе и продолжает падать.
По сравнению с предыдущим этапом происходит изменение только первого граничного условия, вид остальных граничных условий остается прежним: a(-W?t) o. (3-4D Так как во время пробоя эмиттера // закон возрастания обрат ного тока изменяется, зависимость тока от времени записывается в следугацем виде: . УМ- й+Хе"1 " , (3-42) где //сіг - новая постоянная спада тока.
Решение уравнений непрерывности (3-20) с граничными условиями (3-41), (3-28), (3-29), (3-30) и начальными в виде (3-40) представляется в виде (3-32), где Ро = 0,/), = - , для С = 0,1 ## определяются выражением (3-33), для і I рг являются корнями урпвнения (3-34), е/& определяются с помощью (3-35). Выражение для е имеет вид: а/е = Y,c/)/ t Wi-Us+ JJ-J/?K W, Лъ Wa , (3-43) где 6/г =X,c/7KW, - %M , (3- ) К, , / определяются (3-37) и могут быть (как и на предыдущем, так и на последующих этапах) как действительными, так и мнимыми.
Коэффициенты Jh c , о//І (/ = 1,2 ) на этом этапе равны нулю, так как в граничные условия не входит базовый ток v , а коэффициенты я/с , ф с (j- 1,2 ) зависят от параметров структуры, режима спада тока и начального распределения концентраций.
Этап заканчивается, когда концентрация на втором эмиттерном переходе становится равной нулю: Распределения концентраций к этому моменту времени аппроксимируются степенными рядами вышеуказанным образом. Они являются начальными распределениями для следующего этапа.
Третий этап переходного процесса выключения (этап предна-сыщения).
На этом этапе эмиттерный переход Л пробит, но по мере уменьшения тока через структуру ток пробоя через переход уменьшается и переход выходит из пробоя. - 99 По сравнению с предыдущим этапом изменяется только второе (на переходе А ) граничное условие: " (Wa,t) = 0. (3-46) Решение уравнений непрерывности (3-20) с граничными условиями (3-41),(3-46), (3-29), (3-30) и начальными вида (3-40) имеют вид (3-32), где для с 0 /V являются корнями уравнения (3-34), определяются (3-35), выражение для «& имеет вид: de = -j dK.w,(l-c/ Miw )-}flUij/iXiWi,? (3-47) Уг определяется выражением (3-44), коэффициенты #, у (J = 1,2) равны нулю, а коэффициенты 7,i t &Ї (У- 1,2) зависят от парамет-ров структуры и начального распределения концентраций.
Окончание этапа преднаснщения характеризуется моментом времени, когда токи неосновных носителей через эмиттерные переходы сравниваются (с учетом тока управления Си через переход/ ), то есть когда ток пробоя через переход / становится равным нулю: Используя выражение (3-21) для токов, напишем это условие в виде: В последней записи учтено, что концентрация на эмиттерном переходе / равна нулю.
Следует отметить, что уже на этом этапе возможна ситуация, когда оставшийся в базах заряд уменьшается до "критического заряда" структуры. В этом случае процесс выключения заканчивается. Но возможен еще этап, когда эмиттерный переход J, смещается в прямом направлении. Его мы сейчас и рассмотрим.
Четвертый этап процесса выключения (этап насыщения).
В течение этого этапа концентрация на эмиттерном переходе равна нулю, а на эмиттерном переходе у, (в отличие от предыдущего этапа) - выше нуля. Вследствие этого и возможно влияние базового тока L на процесс рассасывания на этом этапе. По сравнению с предыдущим этапом изменяется только граничное условие на переходе J, :
Решение уравнений непрерывности (3-20) с граничными условиями (3-49), (3-46), (3-29), (3-30) и начальными в виде (3-40) определяется формулой (3-32), где Л =о, о/С- de/p o , для с о /V являются корнями уравнения (3-34), К определяются (3-35), К І г , У» , з определяются выражениями (3-37), (3-38), коэффициенты f/i , c/it , Ял , фі (/= 1,2) зависят от параметров структуры и начального распределения концентраций.
