Діоди (стр. 4 из 7)

В принципі, такий рівень розуміння процесу відновленняпотужного діода при великій густині зворотного струму вже в 60-ті роки дозволяв сформулювати основні принципи створення потужногонаносекундногодіодного розмикача, однак це зроблено не було.Причиною був недостатній рівень розвитку потужної напівпровідникової імпульсної техніки того часу в цілому.

Розділ 3. Основні типи напівпровідникових розмикачів струму.

3.1. Дрейфовий діод з різким відновленням.

На даний час створено декілька основних типів напівпровідникових розмикачів великих струмів. У даній роботі ми розглянемо їх основні види. І почнемо даний розгляд із дрейфових діодів із різким відновленням

Цілеспрямована робота зі створення потужногодіодногонаносекундного розмикача була розпочата на початку 80-х років минулого століття у Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Іоффе РАН (ФТІ РАН). Поштовхом послужили результати роботи [11], у якій досліджувалася можливість створення високовольтногосилового діода із накопиченням заряду і було показано, що тривалість фази ВЗП збільшується, а фази ВЗО зменшується до величини менше 0,1 мкс у міру збільшення глибини залягання дифузійногор⁺п-переходу.

Залежність t_взо(1, 2) і t_взп(3, 4) від глибини залягання рп-переходах_р.Параметри діодів: питомий опір бази 50 Ом/см, товщина бази 100 мкм, час життя носіївт_р = 20 мкс. Тут слід зазначити, що діоди в цій роботі були створені за технологією для силового напівпровідникового приладобудування. Основною особливістю технології є те, що глибокі р⁺п-переходи виготовляються за допомогою спільної дифузії в повітряномусередовищібору й алюмінію з їхніх оксидів. Поверхнева концентрація А1 у цьому процесі має строго визначену величину(5-7)·10¹⁶см^-3, і тому дифузійний шарскладається із двох областей: сильно легованої(~ 10¹⁹см^-3) "борної" р⁺-області глибиною 10-20 мкм і протяжної (80-120 мкм), відносно слабко легованої "алюмінієвої" області із плавно зменшуваним градієнтом концентрації домішки. Шоклі-рідовський час життя неосновних носіїв t_п у цій області зменшується зростомконцентрації основних носіїв р і описується формулою (3.1):

(3.1)

Значення часу життя рівне порядку десятка мікросекунд. Тому при протіканні прямого струму через такийр⁺рпп⁺-діод р-областьвиявляється "залитою" електронно-дірковою плазмою. При перемиканні відбувається швидке зменшення концентрації плазми вр⁺р-переході, однак, на відміну від ситуації з різким р⁺п-переходом, це не приводить до утворенняООЗ, оскільки в проведенніструму беруть участь основні носії р-шару. Плазмовий фронт переміщається по р-шару в бік рп-переходу, і лише при наближенні до нього цього фронту починає формуватися ООЗ і зменшуватися зворотній струм. Таким чином, збільшення глибини р⁺рп-переходу приводить до збільшення тривалості фази ВЗП і зменшенню тривалості ВЗО, оскільки до моменту утворенняООЗ значна частина заряду виявляєтьсявиведеною з діода. Саме така конструкція р⁺р-переходунадалі використовувалася у всіхпотужнихнаносекунднихдіодних розмикачах.

Як вже відзначалося вище, присутність електронно-діркової плазми на зростаючій границі ООЗ, гальмує процес розширення, тобто зменшує швидкість наростання напруги на діоді й затягує спад струму. Тому, відповідно до сучасних уявлень, процес відновлення повинен протікати так, щоб рухомий плазмовий фронт в р-области від р⁺р- до рп-переходу, і фронт, що рухається по п-базе від п⁺п- до рп-переходу, зустрілися точно в площинірп-переходу. У цьому й тільки в цьому випадку протікання зворотного струму й розширенняООЗ буде відбуватися за рахунок швидкого руху тільки основних носіїв у протилежних напрямках від рп-переходу.

Однак тільки конструктивними засобами це здійснити досить складно. Так, якщо конструювати приладз робочою напругою, наприклад, 1,7 кВ на основі кремнію п-типа провідності, звичайно використовуваного для потужнихприладів, то максимальна ширина ООЗ й, отже, товщина п-бази повинна бути більше 140 мкм, а товщина р-області, виконаної дифузійним методом, не може бути більше, ніж 100-120 мкм. Тоді при більш-менш однорідному розподілі плазми в р- і п-областяхприладу зустріч фронтів відбудеться в п-базі (оскільки швидкість руху фронту в р-області втроє більше), і обрив струму буде досить повільним. Наносекундний обрив струму в кремнієвому р⁺рпп⁺-діоді можна здійснити, якщо зробити тривалість імпульсу прямого струму доситьмалою для того, щоб більша частина загальноїкількості виведеної плазми була зосереджена в р-області.

Основний експериментальний результат цих робіт наведений .

Через зразок проходив імпульс прямого струмуI_Fз амплітудою 3 А і тривалістю від 0,4 до 1,2 мкс, а потім прикладався імпульс зворотної напруги, що наростає до 1,7 кВ за 40 нс (крива 4, I_F= 0). Добре видно, як у міру зменшення t_F скорочується час наростання напруги на діоді до ~ 2 нc при t_F = 400 нc. Процеси, що відбуваються при цьому, схематичнопоказані на рис. 3.3.

Рис. 3.3.

а) будова напівпровідникової структури; штриховою лінією показаний розподіл плазми після протікання короткого імпульсу прямого струму,

б) рухплазмових фронтів при протіканні імпульсу зворотного струму,

в) утворенняООЗ після закриття фронтів.

Дослідженір⁺рпп⁺-структури (рис.3.3а) виготовлені за допомогою спільної дифузії А1 і В у п- Sіз концентрацією донорів 10¹⁴см^-3_, глибина рп-переходу 120 мкм, товщина р⁺-шару 50 мкм, товщина п-бази 200 мкм, робоча площа 0,3 см². п⁺-область виготовлена за допомогою дифузії фосфору на глибину 50 мкм. Форма розподілу плазми при накачуванні коротким (400 нс) імпульсом струму показана на рис. 3.3а штриховою лінією. Поблизу р⁺-шару формується тонкий шарелектронно-діркової плазми з концентрацією порядку 10¹⁷ см^-3, товщина якого зростає внаслідок дифузії.

Перед цим шаромутвориться концентраційна хвиля, фронт якої в умовах біполярного дрейфу (при концентрації ~ 10¹⁵см^-3) швидко переміщується до п⁺-шару.

У результаті формується різко неоднорідний розподіл - більша частина (~ 75 %) плазми зосереджена в р-шарі. Коли через прилад проходить швидко наростаючий імпульс зворотного струму, фронт концентраційної хвилі швидко рухається у зворотну сторонувід п⁺-шару до рп-переходу (рис. 3.3б). Одночасно поблизу р⁺р-переходу концентрація плазми зменшується через винос дірок вліво, і концентраційний фронт, що утворився, рухається вправо дорп-переходу. Співвідношення між параметрами імпульсів прямого і зворотнього струмів для конкретної конструкції р⁺рпп⁺-структури вибирається так, щоб фронти зустрілися поблизурп-переходу. Починаючи із цього моменту в діоді вже немає плазми, а протікання зворотного струмуздійснюється за рахунок переміщення основних носіїв у протилежних напрямках від рп-перехода(рис. 3.3в). При цьому поблизу рп-переходу утвориться ООЗ, напруга на діоді різко зростає, а струм через нього обривається. Швидкість цього процесу визначається в основному швидкістю переміщення границіООЗ у п-базі. Процес нагромадження плазми при протіканні струмучерез діод вивчений досить докладно. Фундаментальним процесом, що обмежує гранично можливу концентрацію плазми в кремнії, єрекомбинація, через яку τ_пр різко знижується зростом концентрації від ~7·10^-5 при п<< 10¹⁷ см^-3 до 10^-9 із при п<<10¹⁹ см^-3. Ще більш істотним обмеженням є те, що кремнієвір⁺р- і п⁺п-гомопереходиє далеко не ідеальними інжекторами дірок й електронів. Зростом густини струму коефіцієнт інжекції знижується через відхід нерівноважних носіїв через потенційні бар'єри у високолеговані р⁺- і п⁺-шариздуже високою швидкістю рекомбінації. Потік через бар'єр приблизно пропорційний квадрату концентрації плазми, що обмежує можливість збільшення кількості накопиченої плазми в діоді шляхом збільшення густини прямого струму. Звичайно ця густина становить 30 - 50 А/см² , а накопичений заряд у плазмі при тривалості імпульсу, наприклад, 400 нс дорівнює (10 - 15)х10^-6 Кл/см². Тоді при лінійному наростанні імпульсу зворотного струму необхідна робоча густина його (~ 200 А/ см²) буде досягнута за 100-150 нс, після чого струм обірветься, тому що плазма буде повністю виведена з діода. На практиці через різні втрати заряду цей час повинен бути істотно меншим.Описаний вище прилад був названий дрейфовим діодом з різким відновленням (ДДРВ).

Діапазон робочих напруг ДДРВ звичайно лежить у межах від 500 до 1700 В, що відповідає рівню легування вихідного кремнію від 10¹⁵ см^-3 до 10¹⁴ см^-3 і граничній швидкодії від ~ 0,6 до ~ 2 нс; при більшому рівні легування утруднюється процес одержання глибоких дифузійних рп-переходівзмалою поверхневою концентрацією домішки, а при п₀<<10¹⁴ см^-3 спадання напруги на п-базі після проходження заднього фронту концентраційної хвилі стає занадто великим. Виявилося, що, незважаючи на порівняно малу робочу напругу одиничних приладів, створення на їхній основі високовольтних – на сотні кіловольтів – збірок не є серйозною проблемою. Оскільки висока напруга прикладається до приладу тільки в процесі обриву струму, тобто на кілька наносекунд, протягом яких поверхневий пробій не встигає розвитися, то немає необхідності ні в дільниках напруги, ні в спеціальній конструкції крайового контуру приладу, що значно спрощує конструкцію збірок.