Введение к работе
____J
Актуальность работы. Явление спонтанного шнурования тока в полупроводниках и полупроводниковых структурах заключается в самопроизвольном расслооїгаи исходно однородного токораспроделания и формировании одной или нескольких областей с большой плотностью тока - токових шнуров или страт. Неустойчивость исходного токораспроделения связана при этом с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) системи в целом или Наличием так называемого "скрытого" ОДС.
Сильноточные инжекционние переключатели - динистори, обычные и запираемые тиристоры, тиристоры со статической индукцией, тиристоры с МДП-затвором и другие приборы тиристорного типа, составляющие элементную базу современной сильноточной электроники - представляют собой распределенные системі с S-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) и, как следствие, подвержены спонтанному шнуровашга тока. Шнурование тока в этих приборах непосредственно связано с их бистабилькостью по току - свойством, обеспечивающим выполнение главной полезной функции прибора - функции переключения. На начальной стадии расслоение тока имеет изотермический характер, однако впоследствии практически всегда влечет за собой перегрев и даже разрушение полупроводниковой структуры. В силу сказанного вопросы, связанные со спонташшм шнурованием тока, имеют важноо значение для физики сильноточных инжекционннх переключателей.
Для простейшего случая неуправляемой (дпухэлоктродной) ти-ристорной системы теория шнурования тока била построена в рабо -тах [1,21, которые поставили тиристор в один ряд с другими полу проводниковыми систолами S-типа (3) - полупроводішками с перетре вной неустойчивостью, S-днодом, лавшшым транзистором. Однако существующие представления соворшеїшо недостаточны для описания соврсмошшх сильноточных инжекциошшх- переключателей. Это обстоятельство обусловлено следующими причішоми.
1. Современные переключатели тиристорного тина представляют собой приборы, переключаемые током упранлония, поданным на рас продолошшй по площади прибор затвор. Управляющее воздействие
определяет функционирование прибора, формирует его ВАХ, детерминированным образом нарушает однородность инжекционных процессов. Наличие управляющего воздействия является, таким образом, принципиальным фактором, без учета которого адекватное описание спонтанного шнурования тока оказывается невозможным.
" *Э / р
-
При плотностях тока 10-10 А/см , достигаемых в современных приборах, модели переноса заряда в структуре, на которые опирается традиционная теория шнурования, некорректны. Значительное падение напряжения на толще прибора, имеющее место при больших полтностях тока, означает'возникновение областей "внутренней распределенной нагрузки", что, как известно С4], монет повлечь за собой новий, отличный от традиционного механизма расслоения тока в S-системе, тип неустойчивости - неустойчивость Тьюринга,- заключающуюся в расслоении однородного состояния относительно флуктуации с выделенной длиной волны при положительном дифференциальном сопротивлении системы.
-
Больаие токи и напряжения требуют учета заряда свободных носителей и зависимостей подвижности носителей от поля при описании одаородішх состояний с ОДС, характеризущкхся пленарным расслоением рабочего пространства на локализованную на коллекторе прибора область сильного поля - коллекторный домен - и плазменную область.
Цель настоящей работы состоит в теоретическом исследовании явления расслоения тока и механизмов формирования отрицательного дифференциального сопротивления в сильноточных инжекционных переключателях.
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Построена теория шнурования тока в тиристоре с распределенным затвором, мсслодозяно влияние управляющего воздействия на стационарные неоднородные:! состояния тиристорной системы, установлен нелокальный далиюдействугаий характер поперечной связи в системе с. затвором.
-
Исследовано спонтанное расслоение тока в единичном управляемом элементе тиристорной системы, выключаемом распределенным током управления, и установлен новый механизм формирования 0Д0, дойствуший на ранней стадии выключения и связанный с изменением
площади токоведущего канала в процессе его вынужденного сжатия управляющим воздействием.
-
Исследована неустойчивость Тьюринга в тиристорной системе и предложена теоретическая модель, объясняющая пространственно-периодическую стратификацию тока.
-
Построена теория доменов сильного поля с биполярным током в оОратносмещешгом кремниевом р+пп+-пореходе, последовательно учитывающая нескомпенсированшй заряд свободных носителей и зависимость подвижности носителей от величины поля. Ка основе данной теории существенно уточнены представления 'о механизме отрицательного дифференциального сопротивления тиристорной системы при больших токах и напряжениях.
Ка защиту выносятся следующие научные положения.
-
В тиристорной системе с квазиоднородно распределенным затвором при спонтанном возникновении токового шнура напряжение на структуре и плотность тока в шнуре увеличиваются при уменьшении потенциала затвора по отношению к потенциалу катода и уменьшаются при увеличении.
-
В тиристорной системе с квазиоднородно распределенный затвором при заданном полном токе затвора поперечная связь между сечония-ми (в нормальном к току направлении) имеет нелокальный далию-действующий характер. Плотность тока в устойчивом стационарном шнуре уменьшается при увеличении полного тока, протокоющого через шнур. Существует критическое значение параметра нелокальной . связи, начиная с которого в системо сколь угодно большого поперечного размера однородные состояния с отрицательным дифференциальным сопротивлением устойчивы, стационарные шнуровые состояния отсутствуют.
-
При выключении единичного управляемого ялемента тиристорной структуры состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением реализуется на этапе сжатия токоведущего капала при дости копии им критической ширины, близкой к половит; ширины катода, при сохранении положительного смещения коллекторного парохода на оси капала. Процесс сжатия тоководущего канала спонтанно теряет устойчивость относительно флуктуации, неоднородных вдоль направления, нормального к направлению скатил. Режимы голишчсшин, от
' - 6 -
но чающие большим значениям коэффициента загаїраїшя, наиболее неустойчив!;.
Л. В единичном управляемом элементе тиристорної! структуры, BLI-ключпемом током затвора, может иметь место неустойчивость Тьюринга. Однородное состояние теряет устойчивость относительно неоднородной флуктуации, длина волны которой близка к толщине п-базы, при положительном дифференциальном сопротивлении. Расслоение тока завершается формированием пространственно-периодической системы контрастних токових страт. Возникновение неустойчивости обусловлено наличием в системе распределенной омической нагрузки, роль которой играет плазма в n-базе структури.
5. В области пространственного заряда обратносмещонного кремниевого р+пп+- перехода с биполярным током больной плотности в условиях зависимости подвижности носителей от величины поля могут иметь место шесть типов качественно различных полевых распределений, отвечающих различішм значениям величины и состава протекающего тока. Дано их аналитическое описание.
Практическая цеішость работы состоит в развитии новых тео-рстических представлений о механизмах расслоения тока и формирования ОДС в тиристорних системах, выяснении связанных с неустойчивостью принципиальных ограничений эффективности управления, создании теории обратносмещенного кремниевого р+пп+-перохода при больших токах и напряжениях, пригодной для моделирования биполярных переключателей диодного, транзисторного и тиристорного типов. Основные результаты работы применимы как к серийно выпускаемым г. настоящее время тиристорам, так и к наиболее перспективным приборам с распределенным затвором микронных размеров.
Лппрооация результатов работы. Основные результаты работы доісг.'їдіТвплись їїа~х"-сїїминараТ" отдела сильноточной электроники Снзико-тнхшпеского института им.А.Ф.Иоффе, Всесоюзного электротехнического института им.В.И.Ленина, на семинаре "Электроника десктоп г. кремнии и структурах на его основе" (Киев, №?). Часть вокіеддаїх в диссертацию работ отмечена ігремией Отделения твердотельной электроники ФТИ 1990 года.
Публикации.Но материалам диссертации опубликовано 8 работ, перечень "которых приводен в конце реферата.
Объем и структура работы, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключешя, списка литературы из 84 наименования и содержит 123 страницы машинописного текста, 36 рисунков и две таблицы на 35 страницах.
