- •Конспект лекций
- •«Физика полупроводниковых приборов ч.2» введение
- •1. Полевые транзисторы
- •1.1. Мопт с короткими и узкими каналами
- •1.1.1. Подпороговые токи
- •1.1.2. Уменьшение порогового напряжения
- •1.2. Мопт структуры
- •1.2.1. Мопт как усилитель мощности
- •1.2.2. Мощный мопт как ключевой элемент
- •1.2.3. Влияние температуры на параметры и характеристики мопт
- •1.3. Мощные свч мопт
- •1.3.1. Эквивалентные схемы мощного свч мопт в режиме малого и большого сигналов
- •1.3.2. Общий подход к выбору конструкции и проектированию топологии структуры мощного кремниевого свч моп-транзистора
- •1.4. Полевые транзисторы с затвором Шотки
- •1.4.1.Устройство и принцип действия
- •1.4.2. Пороговое напряжение
- •1.4.3. Сравнительные характеристики пт с управляющим
- •2. Мощные биполярные транзисторы
- •2.1.Свойства полупроводников с высокими концентрациями носителей заряда.
- •2.1.1 Амбиполярные подвижности и коэффициент диффузии
- •2.1.2. Время жизни носителей при высоком уровне инжекции
- •2.1.3. Уменьшение ширины запрещенной зоны в кремнии при высоких концентрациях носителей
- •2.2. Лавинный пробой электронно-дырочного перехода
- •2.2.1. Пробой планарного электронно-дырочного перехода
- •2.2.2. Методы повышения напряжения лавинного пробоя
- •2.2.3. Полевая обкладка и эквипотенциальное кольцо
- •2.2.4. Резистивная полевая обкладка
- •2.2.5. Диффузионное охранное и полевое ограничительное кольца
- •2.3 Мощные биполярные транзисторы
- •2.3.1. Структуры мощных транзисторов
- •2.3.2. Влияние высокого уровня легирования на коэффициент усиления по току
- •2.3.3. Расширение базы при высоких плотностях тока
- •2.3.4. Методы увеличения коэффициента усиления по току
- •2.3.5 Частотные свойства мощных транзисторов
- •2.3.6 Тепловые свойства транзистора
- •3.1. Туннельный и обращенный диоды
- •3.1.1. Принцип действия и вах туннельного диода
- •3.1.2. Зависимости тока туннельного диода от температуры
- •3.1.3. Частотные свойства туннельных диодов
- •3.1.4. Обращенные диоды
- •3.2. Параметрический диод (варикап)
- •3.2.1. Структура и принцип действия
- •3.2.2. Основные параметры
- •3.2.3. Частотные свойства
- •3.3. Приборы на пролетных эффектах
- •3.3.1. Общие сведения
- •3.3.2. Лавинно-пролетный диод
- •3.3.3. Инжекционно-пролетные диоды
- •3.4. Диод Шоттки
- •3.4.1. Общие сведения
- •3.4.2. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки
- •3.4.3. Области применения диодов Шоттки
- •3.4.4. Ток неосновных носителей в диоде Шоттки
- •3.4.5. Частотные ограничения диода Шоттки
- •3.4.6. Сравнительный анализ диода Шоттки и диода на p-n-переходе
- •4. Тиристоры
- •4.1. Физика работы тиристоров
- •4.1.1. Диодные тиристоры
- •4.1.2. Структура и принцип действия
- •4.1.3. Закрытое состояние
- •4.1.4. Условие переключения тиристора
- •4.1.5. Открытое состояние
- •4.1.6. Диодный тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом
- •4.2. Разновидности тиристоров
- •4.2.1. Триодные тиристоры
- •4.2.2. Тиристоры, проводящие в обратном направлении
- •4.2.3. Симметричные тиристоры
- •4.3. Способы управления тиристорами
- •4.3.1. Включение тиристоров
- •4.3.2. Выключение тиристоров
- •4.4. Параметры и характеристики
- •5. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния
- •. Успехи освоения карбидкремниевой технологии
- •5.2.1. Вольтамперные характеристики при малых плотностях тока
- •5.2.2. Модуляция базы при высоких уровнях инжекции
- •5.2.3. Время жизни ннз: включение диодов и спад послеинжекционной эдс
- •5.2.4. Время жизни ннз: восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее
- •5.2.5. Моделирование статических и переходных характеристик диодов
- •5.2.6. Особенности переходных характеристик диодов с р-базой
- •5.2.7. Вах при высоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния
- •5.3. Биполярные транзисторы (бпт)
- •5.3.1. Коэффициент усиления
- •5.3.2. Динамические характеристики
- •Тиристоры
- •5.4.1 Включение по управляющему электроду
- •5.4.2. Включение импульсами ультрафиолетового лазера
- •5.4.3. О критическом заряде включения SiC-тиристоров
- •5.4.4. Выключение импульсным обратным током управляющего перехода
- •Заключение
5.2.4. Время жизни ннз: восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее
На рис. 5.6 показаны осциллограммы тока во время переключения 6-кВ и 10-кВ диодов с прямого направления на обратное. В случае 6-кВ диод лэксовская «полочка» - фаза протекания постоянного обратного тока – практически отсутствует, а в случае 10-кВ диода она хотя и проявляется, но ее длительность меньше той, которую можно было бы ожидать, исходя из времени жизни ННЗ, равного 1.55 мкс. Общей и наиболее вероятной причиной такого «аномального» поведения диодов является очень малое время жизни ННЗ в сильно легированном р+-эмиттере, т.е. сравнительно невысокий коэффициент инжекции эмиттера.
Рис. 5.6. Осциллограммы тока во время перключения 6-кВ (а и 10-кВ (b,c) диодов с прямого направления на обратное. Точками показан результат расчета
Наблюдаемые отличия в характере поведения 6-кВ и 10-кВ диодов объясняются следующим образом. Мы полагаем, что в 6-кВ диоде в тонком слое базы, примыкающем к переходу, время жизни так же мало, как и в эмиттере. Образование такого слоя может быть вызвано тем, что высокотемпературное эпитаксиальное наращивание сильно легированного р-слоя приводит к росту общего числа дефектов у границы раздела из-за рассогласования параметров решеток сильно легированного и нелегированного слоев и возникающих при этом термических напряжений, а также вследствие диффузии примесных атомов A1 и самодиффузии. Присутствие такой «нарушенной» области в части базы, примыкающей к p-n-переходу, приводит к тому, что после переключения диода с прямого направления на обратное ОПЗ начинает быстро восстанавливаться (время восстановления блокирующей способности регулируется величиной времени жизни ННЗ в нарушенном слое), так что фазы протекания постоянного обратного тока практически нет.
В 10-кВ диоде, как мы полагаем, область с малым временем жизни несколько отодвинута от границы p-n-перехода (по-видимому, благодаря слегка растянутому профилю легирования эмиттерной области). В этом случае лэксовская полочка появляется, но ее длительность зависит от того, как далеко отодвинута от p-n-перехода область с малым временем жизни.
Присутствие нарушенного слоя в базе не оказывает существенного влияния на характер спада послеинжекционной эдс диодов (в отличие от лэксовских измерений). Дело в том, что в высоковольтных диодах толщина этого слоя существенно меньше, чем толщина ОПЗ при нулевом смещении. Таким образом, нарушенный слой после восстановления ОПЗ оказывается внутри последней. После обрыва прямого тока и восстановлении ОПЗ утечка носителей из квазинейтральной модулированной базы в эмиттере практически отсутствует. Скорость спада эдс определяется при этом времени жизни в объеме базы.
5.2.5. Моделирование статических и переходных характеристик диодов
Для численного моделирования характеристик биполярных 4H-Sic приборов использовалась программа «Исследование» адаптированная для 4H-Sic. Эта программа основана на современных уравнениях переноса носителей заряда в полупроводниках, позволяющих корректно учитывать полную совокупность нелинейных эффектов высокого уровня инжекции и высокого уровня легирования: оже-рекомбинацию, сужение ширины запрещенной зоны, зависимость кинетических коэффициентов и времени жизни носителей заряда от уровня легирования в сильно легированных слоях структуры и т.д. С помощью этой программы нами с успехом были смоделированы как статические, так и динамические характеристики 4H-Sic диодов и тиристоров.
На рис. 5.7 показаны результаты моделирования вольт-амперных характеристик 10-кВ диода. Вначале расчеты были выполнены исходя из предположения об «идеализированном» эмиттере. В этом случае предполагалось, что в любой точке эмиттера локальное время жизни электронов определяется оже-рекомбинацией и рекомбинацией Шокли-Рида-Холла
Рис. 5.7. Прямые ВАХ 10-кВ диода: экспериментальные (точки), рассчитанные в предположении об «идеализированном» эмиттере (пунктирные линии) и рассчитанные с учетом присутствия нарушенного слоя в эмиттере сплошные линии)
(для их описания использовались известные из литературы соотношения). Как видно из рисунка, такой расчет предсказывает гораздо меньшие прямые падения напряжения по сравнению с экспериментальными данными. Это означает, что реальный коэффициент инжекции эмиттера действительно меньше, чем в случае «идеализированного» эмиттера. А именно, эффективное время жизни электронов в эмиттере существенно меньше того значения, которое можно ожидать, исходя из величины коэффициентов оже-рекомбинации Шокли-Рида-Холла в сильно легированных слоях. Моделирование показало, что вольтамперные характеристики и переходные процессы в случае 10-кВ диода адекватно описываются, если предположить, что время жизни в сильно легированной части эмиттера составляет 0.43 нс при 297 К, 4.27 нс при 390 К и 23.7 нс при 514 К, а сама область с малым временем жизни отодвинута от металлургической границы p-n-перехода на 0.5 мкм (см. рис. 5.5-5.7).