Приборы и техника эксперимента, 2020, № 5, стр. 75-81

Высокая эффективность современных лазерных, электромагнитных и электроразрядных технологий достигается в результате использования мощных электрических импульсов с наносекундной длительностью. Малые потери энергии при их формировании могут обеспечить только коммутаторы с субнаносекундным временем переключения в хорошо проводящее состояние. При этом наиболее перспективными являются полупроводниковые коммутаторы, обладающие большим сроком службы и малым разбросом моментов срабатывания.

В этой связи большой интерес представляют работы [1–7 и др.] по исследованию различных четырехслойных кремниевых полупроводниковых приборов, которые включаются за время <1 нс при приложении наносекундного импульса высокого напряжения. Такой способ переключения был впервые описан в [8]. Для его реализации необходимо, чтобы запускающее напряжение нарастало со скоростью >1 кВ/нс. В этих условиях длительность запускающего воздействия оказывается меньше времени развития стационарного пробоя полупроводникового прибора и напряженность электрического поля в его структуре может нарасти до величины, достаточной для инициирования процесса ударной ионизации кремния.

Ударная ионизация определяет быструю генерацию электронно-дырочной плазмы и субнаносекундное время переключения в хорошо проводящее состояние. Быстрое переключение в состояние с высокой проводимостью обеспечивает полупроводниковым приборам с ударной ионизацией уникальные возможности при коммутации мощных наносекундных импульсов тока.

В [9] представлены результаты пилотных исследований модифицированных динисторов с ударной ионизацией. Отличительной особенностью разработанных SID (shock-ionized dynistors) является то, что в  р⁺- и n⁺-эмиттеры их р⁺–n–p–n⁺-структур были введены малогабаритные участки с проводимостью n⁺- и p⁺-типа (шунты). Они исключали возможность блокирования обратного напряжения, что позволило предельно уменьшить толщину слаболегированного n-слоя, определяющего основные коммутационные потери энергии.

В данной работе приведены результаты оптимизации конструкции SID, выполненные с целью повышения эффективности процесса их переключения.

Основным отличием оптимизированных SID является то, что n⁺- и  р⁺-шунты анодного и катодного эмиттеров имеют одинаковые размеры и располагаются соосно (оппозитно относительно друг друга). В результате структура SID разбивается на тиристорные 1 и диодные 2 секции (рис. 1). Они имеют общий высоковольтный р–n-переход и обеспечивают возможность приложения к динистору силового напряжения с прямой полярностью (“плюс” – на аноде). Охранные кольца 3, 4 препятствуют переносу электронно-дырочной плазмы к краевой поверхности 5 в процессе коммутации силового тока и устраняют возможность ее деградации.

Когда к SID приложено стационарное прямое напряжение U₀, в базовых n- и р-слоях создается свободная от носителей тока область пространственного заряда (о.п.з.), ширина которой определяет собственную емкость тиристорных и диодных секций в стационарном состоянии. Напряженность поля достигает максимума на n–р-переходе. Параметры базовых слоев задаются таким образом, что при предельно допустимом U₀ границы о.п.з. не достигают эмиттеров, и напряженность поля в о.п.з. не превышает напряженность стационарного пробоя.

Переключение SID осуществляется путем приложения быстро нарастающего запускающего напряжения U_у, которое формируется при пропускании через его структуру достаточно мощного тока управления I_у. Этот ток обеспечивает быструю зарядку собственных емкостей тиристорных и диодных секций. В результате напряжение в о.п.з. резко нарастает, и ее границы расширяются. Включение SID происходит в момент, когда в области о.п.з. c сильным электрическим полем появляются “затравочные” носители, которые инициируют процесс ударной ионизации.

Результаты экспериментов [9] позволяют предположить, что “затравочными” носителями могут быть электроны и дырки, которые в процессе нарастания запускающего напряжения инжектируются из эмиттеров тиристорных секций в базовые слои. Если амплитуда U_у достаточно велика, то границы о.п.з. вплотную придвигаются к эмиттерам, что создает возможность инжектированным носителям достигнуть о.п.з. за очень короткое время.

Попавшие в о.п.з. носители ускоряются электрическим полем к p–n-переходу и в процессе нарастания U_у переносятся в ту часть о.п.з., где напряженность поля достаточна для ударной ионизации. Ударная ионизация обеспечивает очень быстрое заполнение тиристорных секций SID электронно-дырочной плазмой. В результате они переключаются в состояние с высокой проводимостью, величина которой определяется плотностью образованной плазмы.

Нами было исследовано влияние диодных секций на процесс переключения SID. Для проведения сравнительных исследований были изготовлены динисторы с базовой конструкцией (SID₀) и оптимизированные динисторы (SID₁). Структуры динисторов имели диаметр 20 мм и были изготовлены из пластин кремния с удельным сопротивлением 80 Ом · см и толщиной 380 мкм по стандартной диффузионной технологии.

Диффузионные профили были выполнены так, что динисторы могли в стационарном состоянии блокировать напряжение ~2.2 кВ. В SID₀ шунты n⁺ и р⁺ имели диаметр ~250 мкм, расстояние между центрами шунтов n⁺ составляло 0.8 мм, а между центрами шунтов p⁺ – 1.2 мм. В SID₁ шунты n⁺ и р⁺ имели диаметр ~300 мкм и располагались оппозитно по осям, расположенным на расстоянии 0.8 мм друг от друга.

На рис. 2 приведена электрическая схема стенда, на котором проводились сравнительные исследования SID. Стенд содержит силовую цепь С₀–L₀, генератор наносекундных запускающих импульсов Г и диод D, который разделяет силовую цепь и генератор Г до момента включения SID.

В исходном состоянии конденсатор C₀ заряжен до силового напряжения U₀. Это напряжение приложено к SID и диоду D. При включении генератора Г через SID протекает ток управления I_у, осуществляющий зарядку его собственной емкости. В результате напряжение на SID быстро нарастает до момента его переключения. В процессе нарастания запускающего напряжения дроссель L₀ имеет большую индуктивность и препятствует ответвлению тока I_у в конденсатор С₀. Через несколько наносекунд после включения SID сердечник дросселя L₀ насыщается, его индуктивность становится очень малой и практически не препятствует разряду C₀. При этом в SID коммутируется силовой ток I.

Генератор Г построен по схеме, рассмотренной в [10]. Он содержит индуктивный накопитель энергии L₂, прерыватель тока в виде блока дрейфовых диодов с резким восстановлением (д.д.р.в.) [11] и коммутаторы Т₁, Т₂ в виде блоков IGBT-транзисторов с форсированным запуском [12]. При включении коммутатора Т₁ через блок д.д.р.в. в прямом направлении протекает короткий (~400 нс) ток I_F, являющийся током разряда конденсатора С₁, предварительно заряженного до напряжения ~2 кВ.

В результате происходит зарядка конденсатора С₂ и накопление электронно-дырочной плазмы в диодных структурах блока д.д.р.в. В момент зарядки С₂ до максимального напряжения включается коммутатор Т₂, и через блок д.д.р.в. в обратном направлении протекает ток I_R. Он обеспечивает быстрый (~180 нс) вынос накопленной плазмы и очень быстрое (~2 нс) выключение диодов блока д.д.р.в. в момент, когда величина заряда, пропущенного через них при протекании тока I_R, достигает величины заряда, накопленного при протекании тока I_F.

Так как в момент разряда С₂ до нуля через диоды блока д.д.р.в. в обратном направлении пропускается такой же заряд, как ранее пропускался в прямом направлении при зарядке С₂ до максимального напряжения, то их выключение происходит в момент полного разряда С₂ при максимальном токе I_R, протекающем через индуктивность L₂. В процессе выключения блока д.д.р.в. ток индуктивности L₂ быстро коммутируется в SID и является током управления I_у.

В результате напряжение на SID резко нарастает до величины, при которой в тиристорных секциях его структуры инициируется процесс ударной ионизации. Он формируется при использовании энергии, накопленной в собственных емкостях тиристорных секций к моменту их переключения и энергии индуктивности L₂, которая передается в SID при протекании тока управления.

Процесс ударной ионизации развивается интенсивно, если ток индуктивности L₂ в течение всего времени переключения SID обеспечивает высокое напряжение на его структуре, определяющее высокую напряженность электрического поля. Для этого энергия, накопленная в индуктивности L₂ к моменту включения SID, должна быть достаточно велика.

Сравнительные исследования SID₀ и SID₁ проводились при силовом напряжении ~2 кВ и разных токах управления.

На рис. 3 приведены осциллограммы падения напряжения на SID₀ (кривые 1) и SID₁ (кривые 2) при коммутации практически одинакового силового тока I = 1.9 кА (кривые 3, 4). Переключение динисторов осуществлялось током управления 150 А (рис. 3а) и 250 А (рис. 3б). Примерное равенство амплитуд силового тока в экспериментах с SID₀ и SID₁ обеспечивалось путем незначительного изменения напряжения зарядки силового конденсатора. При увеличении тока управления до 350 А падение напряжения на динисторах практически не изменялось.

Осциллограммы на рис. 4 иллюстрируют процесс переключения SID₀ (рис. 4а) и SID₁ (рис. 4б) при токах управления 150 и 250 А (кривые 1 и 2). Как видно из осциллограмм, напряжение на динисторах за время ~2 нс нарастает до уровня ~4 кВ, при котором происходит их включение за время <1 нс.

Из осциллограмм на рис. 3 следует, что при коммутации практически одинаковых импульсов силового тока падение напряжения на SID₀ и SID₁ имеет близкую величину при достаточно большом токе управления (250 А). При токе управления 150 А падение напряжения на SID₀, выполненных с меньшей суммарной площадью шунтов анодного и катодного эмиттеров и без их осевого совмещения, существенно превышает падение напряжения на SID₁, что свидетельствует о меньшей интенсивности процесса ударной ионизации в SID₀.

Полученные результаты могут быть объяснены следующим образом.

В момент инициирования процесса ударной ионизации в тиристорных секциях SID₁ собственные емкости диодных секций его полупроводниковой структуры заряжены до высокого напряжения протекающим через них током управления I_у. В процессе переключения тиристорных секций через них протекает ток I_у и дополнительный ток I_d, являющийся током разряда собственных емкостей соседних диодных секций. В результате в тиристорные секции коммутируется дополнительная энергия, которая стимулирует развитие процесса ударной ионизации. Так как в SID₁ диодные секции плотно окружают тиристорные секции, то величина тока I_d может быть соизмерима с величиной тока I_у. При этом ток I_d существенно повышает интенсивность процесса ударной ионизации в тиристорных секциях, особенно в режимах переключения SID при недостаточно большом токе I_у.

В SID₀ суммарная площадь шунтов анодного и катодного эмиттеров меньше, чем в SID₁, они расположены хаотично и не образуют диодных секций. В результате интенсивность процесса ударной ионизации в структурах SID₀ определяется, в основном, величиной тока управления I_у. Если она недостаточна, то проводимость SID₀ после переключения снижается.

Нами были также исследованы коммутационные возможности оптимизированных SID с увеличенным диаметром структур, которые были способны блокировать более высокое стационарное напряжение.

Для проведения экспериментов были изготовлены опытные образцы SID с диаметром структур 24 мм, имеющие предельное стационарное напряжение 3.5 кВ (SID₂) и 2.5 кВ (SID₃). Структуры динисторов были изготовлены из пластин кремния с удельным сопротивлением 200 и 90 Ом · см и толщиной 700 и 400 мкм соответственно. Диодные секции в их полупроводниковых структурах имели такие же размеры и такую же плотность, как и в выше рассмотренных SID₁.

На рис. 5 показаны типичные осциллограммы напряжения на SID₂ (кривые 1, 2) и SID₃ (кривые 3, 4) в процессе их переключения на стенде рис. 2 при отключенной цепи конденсатора С₀ (без коммутации силового тока). Они получены при токе управления I_у = 350 А и соответствуют разной величине силового напряжения U₀: соответственно 2 и 3 кВ для SID₂ и 1 и 2 кВ для SID₃. В этих условиях напряжение переключения SID₂ и SID₃ составляет соответственно 7.3 и 4.3 кВ. Оно примерно в 2 раза превышает величину предельного напряжения, которое SID₂, SID₃ способны блокировать в стационарном состоянии.

На рис. 6а приведены типичные осциллограммы напряжения на SID₂ в процессе их переключения при токе управления 350, 250 и 150 А (кривые 1, 2, 3). На рис. 6б показаны аналогичные осциллограммы, иллюстрирующие процесс переключения SID₃.

Из осциллограмм на рис. 6б следует, что при уменьшении тока управления с 350 до 250 А напряжение на SID₃ в момент их включения практически не изменяется, что определяет одинаковые начальные условия для развития процесса ударной ионизации. При I_у = 250 А напряжение включения SID₂ (рис. 6а) становится немного меньше, чем при I_у = 350 А, что обусловливает возможность уменьшения интенсивности процесса ударной ионизации.

При токе управления 150 А SID₂ и SID₃ включаются при заметно меньшем напряжении. При этом на более высоковольтных SID₂ напряжение включения уменьшается сильнее, чем на SID₃, что существенно влияет на развитие процесса ударной ионизации в его структуре. Об этом свидетельствует увеличение времени включения SID₂.

На рис. 7а приведены типичные осциллограммы падения напряжения на SID₂ (кривая 1) и на SID₃ (кривая 2), полученные при коммутации импульсов силового тока (кривые 3, 4) с амплитудой 2 кА. Переключение динисторов осуществлялось током управления I_у = 350 А при силовом напряжении ~2 кВ. На рис. 7б показаны аналогичные осциллограммы, соответствующие току управления 250 А.

Из осциллограмм на рис. 7а следует, что при I_у = 350 А в процессе коммутации одинаковых импульсов силового тока с длительностью 220 нс SID₂ и SID₃ имеют близкое по величине падение напряжения, несмотря на разную толщину структур и удельное сопротивление исходного кремния. Осциллограммы на рис. 7б свидетельствуют, что при уменьшении тока управления до 250 А падение напряжения на SID₂ становится существенно больше, чем на SID₃.

При дальнейшем уменьшении тока управления падение напряжения на динисторах возрастало, причем на SID₂ более резко, чем на SID₃. При I_у = 150 А происходил пробой динисторов типа SID₂.

При токе управления 350 А было продолжено сравнительное исследование динисторов в режиме коммутации импульсов силового тока с такой же амплитудой (2 кА), но с существенно большей длительностью (100 мкс). Для этого в схеме стенда на рис. 2 были увеличены индуктивность силовой цепи и емкость силового конденсатора С₀. В этих условиях напряжение на SID₂ в максимуме силового тока было значительно больше, чем на SID₃ (соответственно 5 и 3 В).

Полученные результаты могут быть объяснены при рассмотрении осциллограмм на рис. 5, из которых следует, что напряжение на SID₂ в момент его переключения в 1.8 раза больше напряжения в момент включения SID₃. Так как полупроводниковая структура SID₂ во столько же раз шире, то можно допустить, что включение SID₂ и SID₃ происходит в условиях с близкой напряженностью электрического поля в их структурах. В результате процессы ударной ионизации в SID₂ и SID₃ протекают примерно одинаково, что определяет близкую по величине проводимость после их переключения.

При протекании силового тока модуляция стационарной проводимости базовых слоев SID₂, SID₃ осуществляется в результате диффузии электронов и дырок, инжектированных из эмиттеров. Так как скорость диффузии сравнительно мала, то при малой длительности силового тока проводимость динисторов к моменту его окончания возрастает незначительно по сравнению с начальной проводимостью после включения. При большой длительности силового тока падение напряжения на SID₂, SID₃ соответствует стационарному значению.

Существенное уменьшение проводимости SID₂ при уменьшении тока управления до 250 А подтверждает, что даже небольшое снижение напряжения в момент их переключения (см. рис. 6а) сильно влияет на развитие процесса ударной ионизации. Разрушение высоковольтных SID₂ при I_у = 150 А свидетельствует о локализации силового тока.

Близкие коммутационные потери энергии в SID₂, SID₃, полученные при достаточно больших токах управления, дают определенные преимущества более высоковольтным SID₂, так как они могут быть использованы в цепях с более высоким силовым напряжением. Их основным недостатком является необходимость обеспечения более высокой мощности импульсов запуска по сравнению с SID₃.

Сравнение напряжений на оптимизированных SID с диаметром 20 и 24 мм (рис. 3б и рис. 7а) показывает, что при коммутации близких по величине импульсов силового тока они изменяются фактически обратно пропорционально рабочей площади. Это свидетельствует о достаточно равномерном распределении силового тока. Можно предположить, что полученный результат обусловлен введением в структуры SID равномерно распределенных диодных секций, которые повышают однородность процесса переключения.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что встроенные в структуры оптимизированных SID диодные секции позволяют повысить эффективность процесса их переключения. В этой связи создается возможность дальнейшей оптимизации конструкции SID путем изменения размеров и формы диодных секций. Так, например, интересным представляется использование диодных секций с сечением в виде квадратов или равносторонних шестиугольников. При этом тиристорные секции структуры SID будут полностью охвачены диодными секциями, что обеспечит более однородное влияние диодных секций на процесс их переключения.