Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы. 13
1.1 Фундаментальные ограничения характеристик кремниевых силовых полупроводниковых приборов. 13
1.2 Механизмы рассеяния, определяющие транспорт носителей зарядов в полупроводниках. 16
1.3 Особенности температурной зависимости процесса включения тиристорной структуры на основе карбида кремния . 22
1.4 Критический заряд включения р-п-р-п структур. 26
1.5 Выводы по обзору литературы и постановка задачи. 31
2 Учет электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния . 32
2.1 Электронно-дырочное рассеяние в материалах полупроводниковой электроники. 32
2.2 Описание методики определения константы электронно-дырочного рассеяния . 41
2.3 Процедура определения константы электронно-дырочного рассеяния. 48
2.4 Численный эксперимент. 50
2.5 Выводы. 51
3 Процесс включения тиристорной структуры на основе карбида кремния . 54
3.1 Обсуждение опубликованных экспериментальных данных. 54
3.2 Аналитическая модель для расчета постоянной нарастания тока тг при включении тиристора . 62
3.3 Температурная зависимость тг. 67
3.4 Зависимость тг от уровня инжекции. 75
3.5 Обсуждение полученных результатов и выводы. 87
4 Модель критического заряда включения для тиристоров на основе карбида кремния . 90
4.1 Обсуждение опубликованных экспериментальных данных. 90
4.2 Механизм формирования ( в тиристорных структурах на основе карбида кремния . 95
4.3 Аналитическая модель Q^, в тиристорах на основе карбида кремния. 98
4.4 Численный эксперимент и сопоставление результатов расчета с аналитической моделью. 104
4.5 Учет дополнительных факторов, влияющих на величину критического заряда включения. 107
4.6 Обсуждение полученных результатов и выводы. 114
Заключение. 116
Литература. 119
- Особенности температурной зависимости процесса включения тиристорной структуры на основе карбида кремния
- Описание методики определения константы электронно-дырочного рассеяния
- Аналитическая модель для расчета постоянной нарастания тока тг при включении тиристора
- Механизм формирования ( в тиристорных структурах на основе карбида кремния
Введение к работе
Актуальность. Силовые полупроводниковые приборы имеют очень широкое применение. Их развитие идет по пути совершенствования их характеристик, приводящего например, к росту величины блокируемого напряжения, увеличению рабочего тока, росту допустимых значений рабочей температуры, уменьшению времени включения и времени восстановления блокирующей способности и т.д.
До настоящего времени основным материалом, применяемым для изготовления силовых полупроводниковых приборов является кремний. Если требования к величине блокируемого напряжения, величинам рабочего тока и рабочей температуры не слишком велики, то кремний удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу для изготовления силовых полупроводниковых приборов.
Однако основные характеристики полупроводниковых приборов взаимосвязаны настолько, что это не позволяет существенно повысить величины одних характеристик без значительного ухудшения других важных характеристик, например величины прямого падения напряжения, величины рабочего значения прямого тока, величины обратного тока, динамических параметров, коммутационных прямых и обратных потерь и т.д. Кроме того, существуют фундаментальные ограничения, препятствующие улучшению характеристик кремниевых приборов. Рассмотрим физические явления, приводящие к фундаментальным ограничениям для использования кремния в качестве материала силовой электроники.
Известно, что для увеличения блокируемого напряжения необходимо использовать все более и более высокоомный кремний, иными словами уменьшать концентрацию легирующей примеси. Создание материалов, в частности кремния с малой концентрацией примеси - это сложная и дорого-
стоящая технологическая задача, которая может быть решена. Однако оказалось, что в кристаллической решетке из-за теплового движения атомов всегда образуются дефекты, которые в запрещенной зоне могут создать донор-ные уровни, так называемые термодоноры. Концентрация термодоноров в кремнии порядка 10,3см"э, что соответствует удельному сопротивлению кремния порядка 500Ом-см. Таким образом, существование термодоноров ограничивает сверху удельное сопротивление кремния, а следовательно, и величину блокируемого напряжения.
Другим фундаментальным ограничивающим фактором, препятствующим увеличению блокируемого напряжения для силовых полупроводниковых приборов на основе кремния является Оже-рекомбинация [2]. Для уменьшения прямого падения напряжения и энергии прямых потерь необходимо, что бы величина отношения ширины блокирующей базы W к диффузионной длине L была порядка W/L~(2+3>). При увеличении блокируемого напряжения необходимо увеличивать ширину блокирующей базы W, что приводит к росту времени жизни носителей заряда т для сохранения заданной величины отношения WJL.
Влияние Оже-рекомбинации на распределение носителей заряда становится заметным, если концентрация последних превышает некоторое харак-
терное значение ре ~{с-г)г, где с- константа Оже-рекомбинации. Для кремния величина с~1(Г30см с"1, что для характерного времени жизни г--10-4 с дает величину р^Ю11 см"3. Из приведенного выше соотношения видно, что с ростом времени жизни носителей заряда г величина рс уменьшается. Следовательно в структурах, рассчитанных на большее блокируемое напряжение, влияние Оже-рекомбинации начнет сказываться при меньших концентрациях носителей зарядов в блокирующей базе. В работе [2] показано, что падение напряжения на базовом слое структуры с учетом влияния Оже-рекомбинации имеет вид:
Ur=Wl.f№lL)+W.f№lL\
Из этого выражения видно, что даже при сохранении неизменной величины отношения WfL, наличие квадратичного члена по W приводит к сильному росту прямого падения напряжения при увеличении ширины блокирующей базы W. Рост прямого падения напряжения приводит к увеличению прямых потерь энергии. Поэтому для единичного прибора не следует увеличивать повторяющееся напряжение более 20 KB для диодов и И KB для тиристоров.
Рассмотрим еще одно ограничение, на которое было указано в книге [3]. Это ограничение связано с работой полупроводниковых приборов при повышенной температуре. Известно, что с увеличением температуры растет величина обратного тока. Это приводит к увеличению энергии обратных потерь.
Обратный ток имеет диффузионную, термогенерационную и поверхностную составляющие. Поверхностная составляющая обратного тока характеризуется факторами, обусловленными состоянием поверхности и обычно плохо подается анализу. Однако для силовых полупроводниковых приборов, имеющих обычно большую рабочую площадь, относительный вклад поверхностной составляющей обратного тока мал.
Известно, что диффузионная Jd и термогенерационная Js составляющие обратного тока зависят от концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике nt [4]:
dp р
Причиной роста обратного тока с увеличением температуры является сильная температурная зависимость концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике п, [5]. Действительно,
1 f E Л
где Т- температура, Е - ширина запрещенной зоны полупроводника, кв - постоянная Больцмана, Для кремния Eg «ЫэВ. Увеличение с температурой обратного тока приводит к росту энергии обратных потерь, что ограничивает сверху допустимую рабочую температуру прибора.
Из перечисленных выше ограничений следует, что силовые полупроводниковые приборы, изготовленные из кремния, практически исчерпали свои возможности по дальнейшему улучшению параметров.
Оказалось, что задача по улучшению параметров мощных полупроводниковых приборов может быть решена, если использовать вместо кремния полупроводниковый материал с большей шириной запрещенной зоны Eg.
Одним из таких материалов является карбид кремния. Рассмотрим некоторые характеристики карбида кремния модификации 4Н и сравним их с характеристиками кремния.
Ширина запрещенной зоны у кремния Eg «l.l эВ.
Ширина запрещенной зоны у карбида кремния политипа 4Н Eg *3.2эВ,
что согласно оценкам, приведенным в [1] приводит к росту величины напряженности критического электрического поля пробоя в карбиде кремния более чем на порядок по сравнению с кремнием:
- для кремния Ед « 2 105 В/см;
-для карбида кремния политипа 4Н согласно данным, приведенным в [6] я«(3-5)-106 В/см.
Более высокие значения Ед будут приводить и к более высокой величине напряжения лавинного пробоя р-п перехода. Поэтому у приборов, выполненных на основе карбида кремния можно использовать более сильное легирование блокирующей базы, чем у кремниевых приборов. Этим снимается ограничение, связанное с проблемой термодоноров. Кроме того, у карбид-
кремниевых приборов можно использовать базовые области существенно меньшей толщины, чем у кремниевых приборов с аналогичной блокирующей способностью. Это приводит к тому, что при больших плотностях тока у карбид-кремниевых приборов прямое падение напряжения будет меньше,
чем у кремниевых. Кроме того, меньшая толщина базовых областей позволя
ет, сохраняя величину отношения W/L*(2+3) для блокирующей базы,
уменьшить время жизни неосновных носителей заряда, что улучшает быст
родействие прибора.
Сравним концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике л, для кремния и карбида кремния. Отметим, что п, экспоненциально убывает с увеличением ширины запрещенной зоны Eg.
Для кремния при комнатной температуре «, = 1.5- 10ю см".
Для карбида кремния политипа 4Н при комнатной температуре, согласно [6] н. «МО"8см"3, и при Т=500К п,ъ4- 10sсм'3.
Следовательно, у карбид-кремниевых приборов будут значительно меньше величины обратного тока и энергии обратных потерь, чем у кремниевых приборов. Наоборот, рабочая температура у карбид-кремниевых приборов может быть выше, чем у кремниевых.
Таким образом, карбид кремния является одним из перспективных материалов для мощной полупроводниковой электроники.
* В настоящее время исследования в области применения карбида крем
ния в полупроводниковой электронике развиваются в двух основных направ
лениях;
исследования свойств самого материала;
построение теоретических моделей характеристик приборов. Очевидно, что построение адекватных моделей невозможно без знания
свойств материала, В настоящее время удалось измерить довольно много важных характеристик в различных политипах карбида кремния [6], напри-
мер подвижности основных носителей зарядов в образцах п~ и р- типов, параметры сужения ширины запрещенной зоны, константу Оже-рекомбинации и т.д. Однако до настоящего времени в литературе не было данных о параметрах электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния. Известно, что при больших плотностях тока электронно-дырочное рассеяние вносит существенный вклад в прямое падение напряжения в кремниевых приборах. Поскольку карбид-кремниевые приборы имеет смысл использовать при больших плотностях тока, исследование параметров электронно-дырочного рассеяния для карбида кремния является одной из важных задач.
Разработка моделей характеристик приборов, изготовленных из карбида кремния, является также важной задачей. Дело в том, что несмотря на то, что приборы, изготовленные из кремния и из карбида кремния подчиняются одним и тем же физическим законам, сочетание электрофизических параметров кремния и карбида кремния сильно различаются. Это различие приводит к тому, что поведение практически всех характеристик карбид-кремниевых приборов отличается от поведения аналогичных характеристик кремниевых приборов. Поэтому использование моделей характеристик кремниевых приборов для расчета характеристик карбид-кремниевых приборов приводит к противоречию с экспериментальными данными [82], В качестве примера можно привести температурную зависимость постоянной времени нарастания тока карбид-кремниевого тиристора, которая противоположна зависимости кремниевых тиристоров. Другим примером является применение теории критического заряда включения Уварова к карбид-кремниевым тиристорам, которая так же приводит к противоречиям с экспериментальными данными.
Оказалось, что при учете физических особенностей параметров карбид-кремниевых приборов, эти противоречия можно разрешить.
Целью диссертационной работы является:
- Разработка методики определения параметров электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния, основанной на анализе вольт-амперных харак-
теристик диодных структур, измеренных при различных температурах и практическая реализация этой методики для получения параметров электронно-дырочного рассеяния в политипе 4Н карбида кремния.
- Разработка аналитической модели процесса включения тиристорных
* структур на основе 4Н-8ІС и использование этой модели для:
- объяснения особенностей температурной зависимости постоянной вре
мени нарастания тока гг в карбид-кремниевых тиристорных структурах;
- объяснение особенностей самопроизвольного включения карбид-
кремниевых запираемых тиристоров при различной длительности выклю
чающего импульса, в частности при приближении длительности выключаю
щего импульса к Mvff.
- Исследование механизма формирования критического заряда включе-
* ния 2кр тиристорных структур на основе карбида кремния и построение но-
вой модели критического заряда включения Q^.
В качестве объектов исследования выбраны широкозонный полупроводник карбид кремния и мощные приборы на его основе. Исследовались параметры электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния политипа 4Н, процессы включения, процессы выключения, критический заряд включения тиристоров на основе SiC.
Научная новизна.
* 1. Впервые была разработана методика определения константы ЭДР в
карбиде кремния, основанная на анализе вольт-амперных характеристик ди
одных структур при различных температурах и получена первая в литературе
оценка константы ЭДР в карбиде кремния политипа 4Н.
2. Впервые была разработана модель включения тиристорных структур на основе карбида кремния, позволившая объяснить аномальную температурную зависимость процесса включения карбид-кремниевых тиристорных структур.
1]
Впервые было дано физически корректное объяснение аномальной «задержки» в процессе выключения запираемого тиристора на основе 4Н-5ІС в МОП - режиме.
Был предложен новый механизм формирования критического заряда
включения Q№ и разработана оригинальная модель критического заряда
включения тиристорных структур на основе карбида кремния.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечена сравнением этих результатов с опубликованными в литературе экспериментальными данными и с данными, полученными с помощью численного моделирования.
Практическая значимость работы.
1. Получена оценка константы ЭДР в карбиде кремния, которая позволя-
ет разрабатывать модели, правильно описывающие характеристики мощных
приборов на основе SiC.
Разработана модель включения карбид-кремниевых тиристоров. Она позволяет описывать процессы, протекающие в р-п~р-п структурах при нарастании тока, и учитывает температурную зависимость процесса включения.
Разработана модель выключения карбид-кремниевых тиристоров.
4. Разработана модель критического заряда включения карбид-
9 кремниевых тиристоров.
В целом полученные результаты закладывают физические основы моделирования характеристик мощных структур на основе карбида кремния.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Впервые предложена методика определения параметров электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния, основанная на анализе вольт-амперных характеристик диодных структур при различных температурах.
С помощью разработанной методики получена первая в литературе оценка параметров электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния политипа 4Н.
Разработана новая модель включения тиристорных структур на основе
* карбида кремния, учитывающая характерные особенности электрофизиче
ских параметров этого широкозонного материала.
Объяснена аномальная температурная зависимость постоянной времени нарастания тока тг в карбид-кремниевых тиристорных структурах, обусловленная неполной ионизацией акцепторной примеси в р* - эмиттере структуры.
Разработанная модель включения применена к исследованию процесса выключения запираемого тиристора на основе 4H-SiC в MOS - режиме,
* что позволило объяснить возникновение аномальной 'задержки' в динам иче-
«
ском процессе изменения тока.
Предложен новый механизм формирования критического заряда включения Qxp тиристорных структур на основе карбида кремния.
Разработана аналитическая модель критического заряда включения карбид-кремниевых тиристорных структур, позволяющая объяснить наблюдаемые экспериментальные особенности включения этих структур.
Научные результаты диссертационной работы отражены в восьми печат-
fc ных работах и двух тезисах докладов на конференциях.
XXVI Европейская конференция по полупроводниковым соединениям и интегральным схемам. Черноголовка, Россия, 21-25 мая 2002. (. DOCS ICE 2002), Выключение 4Н-ЗІС запираемого тиристора на 2.6 кВ в МОП-режиме.
IV Европейская конференция по карбиду кремния и родственным материалам. Линкопинг, Швеция, 1-5 сентября 2002. Параметры электронно-дырочного рассеяния в карбиде кремния.
Особенности температурной зависимости процесса включения тиристорной структуры на основе карбида кремния
В предыдущих разделах были рассмотрены преимущества широкозонных материалов, в частности карбида кремния перед более узкозонными кремнием и арсен ид галлием при создании приборов силовой электрони-ки[64-66]. Одним из преимуществ таких приборов является их способность работать при повышенных температурах, превосходящих рабочие температуры, характерные для кремниевых и арсенид галлиевых силовых приборов. В работах [25,26] сообщалось о создании фирмой CREE Inc. силовых тиристоров на основе карбида кремния политипа 4Н, рассчитанных на повторяющееся напряжение 400 В и 2.6 кВ. В работах [22-24] экспериментально изучался процесс включения карбид-кремниевых силовых тиристоров. Было показано, что на участке резкого роста плотность тока экспоненциально нарастает с постоянной времени нарастания тг: Постоянная времени нарастания тока тг является одной из важнейших характеристик процесса включения, позволяющей судить о быстроте этого процесса. Оказалось, что у изучаемых в работах [22-24] тиристорах, постоянная времени нарастания тока гг при комнатной температуре была достаточно малой. Так, например, у высоковольтного тиристора, рассчитанного на повторяющееся напряжение 2.6 кВ, при комнатной температуре г, « 200 не, а у тиристора с повторяющимся напряжением 400 В, постоянная времени нарастания ггпри комнатной температуре не превышала 8 нс. Большой интерес представляло экспериментальное исследование температурной зависимости процесса включения, и в особенности температурной зависимости постоянной времени нарастания тг. Известно, что у кремниевых тиристоров с возрастанием температуры время включения растет. Это объясняется уменьшением подвижности носителей заряда в базовых областях, уменьшением коэффициентов диффузии и уменьшением насыщенной скорости носителей заряда в электрическом поле с ростом температуры. Известно, что в карбиде кремния характер температурной зависимости подвижности, коэффициентов диффузии и насыщенных скоростей подвижных носителей зарядов в электрическом поле в интервале от комнатной температуры до ЮООАГ такой же, как в кремнии.
Поэтому было естественно ожидать, что в карбид-кремниевых тиристорах характер процесса включения подобен тому, что наблюдается в кремниевых. Однако оказалось, что в карбид-кремниевых тиристорах наблюдалось аномально быстрое включение на повышенных температурах. В работах [11],[22-24] было экспериментально показано, что время включения уменьшается с ростом температуры. На рис.3 Л раздела 3 представлены экспериментально измеренные значения постоянной времени нарастания тока г, для высоковольтной (2.6кВ) и сравнительно низковольтной (400 В) тиристорных структур в диапазоне температур от комнатной до 500А:. Видно, что для обе их структур, постоянная времени нарастания тока тг уменьшается с ростом температуры. Другими словами, температурные зависимости в кремниевых и в карбид-кремниевых тиристорных структурах противоположны. В литературе отсутствовало корректное физическое объяснение такого экспериментально наблюдаемого аномального поведения, что делает построение модели, способной ее объяснить актуальным. Именно это и будет одной из задач, решаемых в диссертации. Интересное исследование процесса включения запираемой тиристорной структуры (GTO) на 2.6 кВ на основе карбида кремния модификации 4Н было представлено в работе [22]. Известно, что если такая структура была предварительно включена и находилась в некотором стационарном состоянии, то для того, что бы эту структуру выключить, необходимо подать на управляющий электрод выключающий импульс длительностью Mgff.
Причем, если выполняется условие A/ojr Д/ , ( где Atlf есть некоторая минимальная длительность выключающего импульса, переводящая тиристор в выключенное состояние ) то структура будет выключена. Если же упомянутое выше условие выполняться не будет, то есть если At0ff Д/ jj-, то после прекращения действия выключающего импульса произойдет самопроизвольное включение структуры. В рассматриваемой в [22] работе выключающий импульс осуществлялся закорачиванием на время 4/е/ с помощью внешней схемы с малым сопротивлением порядка Юм анодного контакта с управляющим электродом. Измерения проводились при комнатной температуре. Экспериментально, для данных условий измерений, (температуры, плотности прямого тока, приложенного напряжения) определялась величина Д/ .. На рис.3.3 раздела 3 представлены экспериментально полученные временные зависимости тока при различных длительностях выключающего импульса Ыод. Кривая 1 соответствует случаю, когда Ы0„ в несколько раз меньше Дг #. Из рис.3.3 видно, что
Описание методики определения константы электронно-дырочного рассеяния
Суть методики для определения константы G-p0 заключается в следующем. Согласно результатам работ [12-14], ВАХ исследуемой диодной структуры, схема которой показана на рис.2.1, может быть представлена в виде суммы компонент Подчеркнем еще раз, что рассуждения проводятся для случая ВУИ в п -базе р -п-п структуры, когда p n»Nd, Рассмотрим все слагаемые, входящие в (2.15) подробнее. Величина Up„- это падение напряжения на р-п переходах структуры. Она связана с граничными концентрациями носителей зарядов р{о) и p(W„), инжектированных из р - и и - эм длина.
Величину амбиполярной диффузионной длины L найдем, воспользовавшись результатами работ [15,16]. В работе [15] экспериментально определялось время жизни носителей заряда в базовой области исследуемой диодной структуры при различных температурах. Оказалось, что с ростом температуры время жизни т возрастало следующим образом: Найдем величину амбиполярного коэффициента диффузии Ч Р«+Мр быть вычислены в соответствии с результатами работы [16]. В данном конкретном случае концентрация донорной примеси в/г- базовом слое была равна Nd -6-\0]4см"3. При такой концентрации температурная зависимость подвижностей электронов и дырок имеет следующий вид: В результате получим следующую температурную зависимость для амбиполярного коэффициента диффузии: Таким образом оказалось, что в структурах, изготовленных из карбида кремния величина отношения WnfL уменьшается с ростом температуры, причем наибольшее значение WjL-2.% достигается при комнатной температуре. В работе [17] было показано, что при таких значениях отношения WjL при ВУИ справедливо диффузионное приближение. Поэтому проведем расчет величины UL в рамках диффузионного приближения. Напряженность электрического поля, связанная с рассеянием подвижных носителей заряда на ионизированной примеси и колебаниях кристаллической решетки выражается соотношением где хпип - координата точки в базе, где концентрация подвижных носителей принимает минимальное значение, а рта - величина минимального значения концентрации подвижных носителей. После замены переменной (2.иттеров, то есть с концентрациями в точках с координатами л- = о и х = Wa, где Wn - толщина я -базы. Величина Upn определяется известным соотношением где пю - собственная концентрация в базовой области. Рассмотрим теперь падение напряжения на базовой области ULi обусловленное рассеянием подвижных носителей заряда на ионизированной примеси, колебаниях кристаллической решетки и т.д. Для корректной оценки величины UL необходимо убедиться, что в данном случае справедливо диффузионное приближение.
Для этого необходимо найти величину отношения WJL, где L- амбиполярная диффузионная длина. Величину амбиполярной диффузионной длины L найдем, воспользовавшись результатами работ [15,16]. В работе [15] экспериментально определялось время жизни носителей заряда в базовой области исследуемой диодной структуры при различных температурах. Оказалось, что с ростом температуры время жизни т возрастало следующим образом: Найдем величину амбиполярного коэффициента диффузии Ч Р«+Мр быть вычислены в соответствии с результатами работы [16]. В данном конкретном случае концентрация донорной примеси в/г- базовом слое была равна Nd -6-\0]4см"3. При такой концентрации температурная зависимость подвижностей электронов и дырок имеет следующий вид: В результате получим следующую температурную зависимость для амбиполярного коэффициента диффузии: Таким образом оказалось, что в структурах, изготовленных из карбида кремния величина отношения WnfL уменьшается с ростом температуры, причем наибольшее значение WjL-2.% достигается при комнатной температуре. В работе [17] было показано, что при таких значениях отношения WjL при ВУИ справедливо диффузионное приближение. Поэтому проведем расчет величины UL в рамках диффузионного приближения. Напряженность электрического поля, связанная с рассеянием подвижных носителей заряда на ионизированной примеси и колебаниях кристаллической решетки выражается соотношением где хпип - координата точки в базе, где концентрация подвижных носителей принимает минимальное значение, а рта - величина минимального значения концентрации подвижных носителей. После замены переменной (2.21) интеграл в правой части (2.20) может быть легко вычислен. Известно, что в рамках диффузионного приближения, при WJL \ минимальное значение концентрации может быть представлено в следующем виде: Тогда получим: Величины граничных концентраций р(о) и p{W„) согласно [18] имеют
Аналитическая модель для расчета постоянной нарастания тока тг при включении тиристора
Изучению процесса включения тиристорных структур в различных приближениях было посвящено множество работ. Детальный обзор результатов этих работ представлен в монографии [30]. Однако воспользоваться этими результатами для корректного описания процесса включения карбид-кремниевых тиристорных структур нельзя. В этих работах рассматривались кремниевые тиристорные структуры, для которых характерны значения коэффициентов инжекции, близкие к единице во всем диапазоне рабочих температур. Особенностью карбид-кремниевых структур является большая по сравнению с кремнием энергия ионизации примесных уровней. Так например, энергия ионизации акцепторной примеси алюминия порядка (о.24 + 0.2б)эВ. Это приводит к сильной температурной зависимости равновесной концентрации носителей заряда в рабочем диапазоне температур. Этот эффект осо бенно существенен в сильнолегированных эмиттерных слоях. Результатом такой особенности карбид-кремниевых структур является низкая величина коэффициента инжекции р+ п эмиттерного перехода, особенно при комнатной температуре. Поэтому процесс включения в карбид-кремниевых тиристорних структурах нужно рассматривать с учетом того, что коэффициенты инжекции у} и Yi Р - и и п - р эмиттерных переходов отличны от единицы. Для получения выражения постоянной времени нарастания тока тг воспользуемся методом заряда, который подробно изложен в [29,30],[69],[78]. к Метод заряда описывает динамику заряда дырок в п- базе QP = \p-dx и за о ряда электронов в р- базе Qn = \n-dx, Временные зависимости Qp{t) и Q„{t) о согласно [30] описываются следующей системой уравнений: гя - время жизни электронов в р - базе; тр - время жизни дырок в «-базе; р„ и рр - коэффициенты передачи через р- и п- базы; JK0 - плотность генерационного тока обратно смещенного коллекторного перехода; Jn - плотность тока управления; JR - плотность тока утечки р -п эмиттерного перехода.
Начальными условиями системы уравнений (3.2) были: где QpQ и Qn0 - заряды дырок в я- базе и электронов вр- базе в начальный момент времени / = 0. Плотность тока через тиристорную структуру в рамках метода заряда определяется выражением Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев выполняются условия Ja »JK0; JG »JR и можно пренебречь величинами JK0 и JR по сравнению с величиной Ja. Первое условие связано со значительной шириной запрещенной зоны в карбиде кремния {Eg =3.2эВ в политипе 4Н). Второе условие - с отсутствием технологической шунтировки в карбид-кремниевых тиристорах. Система уравнений (3,2) допускает аналитическое решение при произвольной зависимости Ja(t) [31]. Если ограничиться нахождением постоянной времени нарастания тока г,, то нет необходимости выписывать громоздкое решение при произвольном Ja(t). Достаточно получить решение при Jc =const{vr зависит только от параметров р-п-р-п структуры). Тогда выражения для Qjt) и Qp(t) принимают простой вид: Константы АХ,В}ІА2,В2 определяются начальными условиями (3.2а), С, и С2 - частные решения системы (3.2), Л, и Л2 - корни характеристического уравнения: - коэффициенты правой части системы уравнений (3.2). Запишем явные выражения для Л, и Хг: Исследуем корни характеристического уравнения І, иЯ2, Очевидно, что величина ax+b2 Q. Непосредственной подстановкой значений al,b ,a1 h2 легко убедиться, что выполняется равенство где ар=уфу и а„-у2Р„- Если выполняется известное условие включения тиристорной структуры то будет справедливо неравенство: Согласно [31], при выполнении условия (3.8), корни характеристического уравнения (3.5) действительные и имеют разные знаки: Л, О,Л2 0.
Положительный корень характеристического уравнения (3.5) \ определяет экспоненциальное нарастание тока в процессе включения. Таким образом, постоянная времени нарастания тока тг равна Используя выражения (3.10),(3.6) и подставляя в них значения attbl,a2,bz, получим явное выражение постоянной времени нарастания тока тг: где тх (і-Д , и rI=(l-A n [30],[68]. Выражение для постоянной времени нарастания тока тг (3.11) является наиболее общим, учитывающим коэффициенты инжекции обоих переходов. Рассмотрим некоторые частные случаи, следующие из общего выражения. Рассмотрим сначала случай, когда коэффициенты инжекции эмиттерных переходов малы и выполняется условие: В этом случае получим следующее выражение для тг:
Механизм формирования ( в тиристорных структурах на основе карбида кремния
Известно, что существование положительной обратной связи в тиристорных структурах обуславливает S- образный вид их вольтамперной характеристики, который в свою очередь свидетельствует о существовании статических неустойчивых состояний, определяемых выражением где у\ и Уг - коэффициенты инжекции р п и п -р эмиттерных переходов, рр и рп - коэффициенты переноса через базовые слои составляющих транзисторов, соответственно. Каждое из этих статических неустойчивых состояний характеризуется зарядом неравновесных носителей Q , накопленным в базовых слоях структуры. В случае, когда заряд накопленный в базовых слоях структуры строго равен Qfj., ток, текущий через тиристорную структуру не меняется во времени. Однако любое малое положительное отклонение заряда от этой характерной величины QiT приводит к экспоненциальному нарастанию тока во времени, то есть переходу тиристора во включенное состояние. Аналогично, любое малое отрицательное отклонение от Qir приводит к затуханию тока и переходу тиристора в выключенное состояние. Заряд Qsj. однозначно связан с критическим зарядом включения Q . После введения в результате динамического внешнего воздействия избыточного заряда в базовые слои тиристора, последний начинает релаксировать вследствие процессов инжекции и транспорта, определяющих обратную связь в тиристоре, рекомбинации, утечки в шунты и т.д.
Если в результате этих процессов, введенный избыточный заряд релаксирует к определенному выше значению ?ІТ , то такой избыточный заряд соответствует критическому заряду включения Q . Ясно, что если введенный в результате динамического воздействия избыточный заряд превышает величину Q , то в результате релаксационных процессов в базовых слоях тиристорнои структуры возникнет положительное отклонение заряда от значения Qi7, и тиристор включится. Наоборот, если введенный избыточный заряд окажется меньше Q , то релаксационные процессы приведут к отрицательному отклонению величины заряда в базовых слоях от значения QiT, в результате чего тиристор перейдет в выключенное состояние. Рассмотрим, какие факторы влияют на формирование величины заряда Qsr, а следовательно, и критического заряда включения Qa,. В классической теории критического заряда включения Уварова [43] предполагалось, что величины у2, /Зр и Д, являются константами, и только эффективный коэффициент инжекции ух эмиттерного перехода, прилегающего к тонкой, сильно легированной базе зависит от плотности тока J. В кремниевых тиристорах, для которых была развита классическая теория критического заряда включения, такое допущение обычно оказывалось оправданным. Во-первых, даже в наиболее высоковольтных кремниевых тиристорах включение происходит, как правило, при низком уровне инжекции даже в слаболегированной блоки рующей базе, При этом коэффициенты переноса рр и рп могут с хорошей точностью считаться постоянными. Во-вторых, в подавляющем большинстве случаев эмиттерньгй переход, прилегающий к узкой, сильно легированной базе искусственно шунтируется сопротивлением Rsll. Наличие шунтировки [74-77] делает зависимость ух (J) вблизи точки переключения особенно резкой, что позволяет пренебречь зависимостью y2{j). Рассмотрим теперь тиристоры, изготовленные на основе карбида кремния.
Необходимо отметить, что во всех описанных в литературе карбид-кремниевых тиристорных структурах, отсутствовала технологическая шун-тировка. В соответствии с опубликованными экспериментальными данными ( см. [52] ), минимальная величина плотности тока управления JCmm, требуемая для включения тиристора достаточно велика и соответствует переходу от низкого к высокому уровню инжекции в широкой блокирующей базе тиристора. В таких условиях возникает новая возможность выполнить условие (4.5) с ростом тока не за счет увеличения ух, а за счет возрастания /?„. Действительно, при переходе от низкого к высокому уровню инжекции в слаболегированной р- базе тиристора коэффициент переноса /?„ изменяется [29] от величины венно. Численные расчеты [54] для структуры, изображенной на рис.3.2 дают следующие значения для коэффициентов переноса через р- базу: P«L (0.4-5-0.5) и fi j «(0.9 + 0.95). Это указывает на существенный вклад, вносимый зависимостью 0п от тока, в возрастание левой части выражения (4.5) с ростом тока. В следующем разделе будет предложена аналитическая модель критического заряда включения, в основу которой будет положена зависимость от плотности тока как величины коэффициента инжекции Y\, так и коэффициента переноса через р - базу /?„.
