Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты)

 

Использование: полупроводниковая техника, способы переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа. Сущность изобретения: в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа импульс управления, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению dU/dt > 2E₀W/τ_s, где E_o - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см; W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной N_a или донорной N_d примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая. Толщина слоя W не превышает 0,2 см; τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, равное τ_s = W/V_s, где V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре. Во втором варианте способа импульс управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению dU/dt > 4E₀W/τ_s, где E_o - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см; W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной N_a или донорной N_d примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая. Толщина слоя W не превышает 0,2 см; τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, равное τ_s = W/V_s, где V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и эффективности способа переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа за счет уменьшения коммутационных и остаточных потерь в структуре и увеличения коммутируемых напряжения и тока. 2 с.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой техники, а именно к способам переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, используемых в лазерной, ускорительной, локационной технике и т.п., а также в ряде областей преобразовательной техники.

Известен способ переключения тиристора с обратной проводимостью, находящегося в прямом блокирующем состоянии, к которому сначала прикладывают дополнительный импульс обратного анодного напряжения, амплитуда и длительность которого достаточны для инжекции в базы необходимого числа носителей, инициирующих процесс переключения, а затем прикладывают импульс прямого напряжения [1].

Одним из существенных недостатков этого известного способа является ограниченное быстродействие приборов, вызванное существующими ограничениями (техническими и физическими) на скорость внесения необходимого заряда электронно-дырочной плазмы, что приводит к снижению быстродействия способа переключения и не позволяет обеспечить время включения тиристора меньше чем за 50 нс.

Кроме того, известный способ применим только для переключения тиристора специальной структуры, обеспечивающей его обратную проводимость, что, в свою очередь, приводит к ограничению возможных областей применения.

Коммутация больших мощностей полупроводниковыми структурами любого типа производится путем резкого увеличения проводимости слоя, который в начальном состоянии имеет очень высокое сопротивление и блокирует приложенное к структуре рабочее напряжение. Таким слоем обычно является область объемного заряда p-n-перехода. Резкое увеличение проводимости этого слоя осуществляется путем заполнения его хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой. Предельные коммутационные характеристики структуры определяются возможностью быстрого создания плазменного слоя с большой проводимостью на месте слоя с высоким сопротивлением. В наиболее мощных полупроводниковых структурах ключевого типа плазменные слои формируются инжекцией носителей из сильнолегированных эмиттерных слоев, а переключение инициируется пропусканием импульса тока в цепи эмиттер - база вдоль тонкого базового слоя.

Из-за большого сопротивления слоя p-n-перехода инжекция электронов локализуется в узком канале вдоль границы эмиттер - база. Такая локализация делает практически невозможным создание токопроводящего канала большой площади, а это, в свою очередь, приводит к ограничению удельной величины коммутируемой мощности и скорости коммутации.

Однако известны способы коммутации полупроводниковых структур, позволяющие повысить коммутируемую мощность и скорость коммутации [2]. Эти способы основаны на принципе коммутации с помощью задержанной ударно- ионизационной волны.

Одним из недостатков этих способов коммутации полупроводниковых структур является то, что структуры обладают высоким остаточным напряжением во включенном состоянии, составляющим 20 - 30% от рабочего напряжения.

Другим недостатком этих способов являются низкие рабочие напряжения, не превышающие 1 - 1,5 кВ.

Кроме того, для этих способов коммутации с помощью задержанной ударно-ионизационной волны характерна сложная технология изготовления соответствующих им полупроводниковых структур.

Из известных способов коммутации полупроводниковых структур ключевого типа в качестве прототипа выбран способ коммутации диодного обострителя импульсов [3] , основанный на коммутации полупроводниковой структуры, блокирующей рабочее напряжение с помощью задержанной ударно-ионизационной волны.

Известный способ обладает теми же недостатками, что и аналоги, а именно высоким остаточным напряжением на структуре в ее включенном состоянии; низким рабочим напряжением, не превышающим 1 - 1,5 кВ; сложной технологией изготовления тиристорных обострителей на основе принципа коммутации с помощью задержанной ударно-ионизационной волны.

Задача изобретения направлена на повышение быстродействия и эффективности способа переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа за счет уменьшения коммутационных и остаточных потерь в полупроводниковой структуре, а также увеличение коммутируемых напряжения и тока.

Поставленная задача достигается тем, что в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, последний, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению где E₀ - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см; W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной N_a или донорной N_d примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая; τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, при этом
где
V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см.

Поставленная задача достигается также и тем, что в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, последний с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению

где
E₀ - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной N_a или донорной N_d примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая;
τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, при этом

где
V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см.

Предлагаемый способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа по сравнению с прототипом позволяет
расширить диапазон используемых для коммутации полупроводниковых структур;
уменьшить время перехода структуры из непроводящего состояния в проводящее, что приводит к повышению быстродействия;
уменьшить коммутационные потери, при этом остаточные напряжения после переключения могут быть менее 5% от рабочего напряжения;
увеличить рабочие токи переключаемых структур;
повысить рабочее напряжение до 5 кВ и более;
повысить рабочие частоты до 50 кГц и более;
существенно уменьшить по сравнению с известными структурами габаритные размеры полупроводниковой структуры, коммутирующей заданную импульсную мощность.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить быстродействие и эффективность переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа и увеличить коммутируемую мощность.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлена блок-схема, реализующая предлагаемый способ переключения;
на фиг. 2 - 4 изображены поперечные сечения различных типов полупроводниковых структур, выбранных в качестве примеров возможных структур, используемых для коммутации;
на фиг. 5 - 7 - переходные характеристики переключения (эпюры напряжения и тока) для полупроводниковых структур;
на фиг. 5 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 2;
на фиг. 6 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 3;
на фиг. 7 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 4.

Блок-схема (фиг. 1) содержит источник энергии 1, который заряжает до рабочего напряжения конденсатор 2, выполняющий функцию накопителя энергии, резистор 3, являющийся нагрузкой, индуктивность 4, полупроводниковую структуру ключевого типа 5 и генератор импульсов управления 6. Полупроводниковая структура 5 имеет контакты 7.

Источник 1 (фиг.1) соединен через конденсатор 2 с резистором 3, а через индуктивность 4 с полупроводниковой структурой 5 и генератором импульсов управления 6.

Реализация предлагаемого способа показана на примерах с различными типами полупроводниковых структур, выполненных из кремния и предназначенных для коммутации с помощью блок-схемы, изображенной на фиг. 1.

Пример 1.

Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур реализован на полупроводниковой структуре ключевого типа, представленной на фиг. 2. От импульсного источника энергии за время, равное 5 · 10^-7 с, заряжается конденсатор 2, величина которого 1 нФ, до напряжения 3 кВ, а затем на полупроводниковую структуру 5 подается импульс управления от генератора импульсов управления 6. При этом с помощью индуктивности 4 величиной 100 нГн обеспечивается развязка управления от конденсатора 2 и резистора 3. Скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению
,
составила в данной структуре при эксперименте 10¹³ В/c.

В результате воздействия импульса управления (фиг. 5, верхняя эпюра) полупроводниковая структура 5 за время менее 1 нс переходит в проводящее состояние и пропускает импульс рабочего тока в резистор 3. При этом амплитуда тока в нагрузке составляет величину 100 А, а длина импульса приблизительно равна 3·10^-8 c. При подаче на эту же структуру 5 импульса управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения (фиг. 5, нижняя эпюра), структура 5 за время менее 1 нс переходит в проводящее состояние. Скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению

составила в данной структуре при эксперименте 1,2·10¹³ В/c.

Ток в резисторе 3 с сопротивлением 30 Ом достигает 100 А, а длина импульса приблизительно равна 3·10^-8 с.

В эксперименте использовалась структура 5, имеющая толщину высокоомного слоя W = 900 мкм, площадь, равную 0,3 см², а концентрация легирования n-базы размером W равна
N_d = 2·10¹² см^-3.

Пример 2.

Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур реализован на полупроводниковой структуре ключевого типа, представленной на фиг. 3. От импульсного источника энергии 1 за время, равное 50 мс, заряжается конденсатор 2, величина которого составляет 150 нФ, до напряжения 30 кВ. Затем подается импульс управления от генератора импульсов управления 6 на полупроводниковую структуру 5 (фиг. 6, верхняя эпюра). Скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению
,
составила в данной структуре при эксперименте 5·10¹² В/c.

С помощью индуктивности 4 величиной 100 нГн обеспечивается развязка импульса управления от цепи конденсатора 2 и резистора 3, величиной 1500 Ом. В результате воздействия импульса управления на структуру 5 последняя переходит в проводящее состояние за время, меньшее 10^-9 c, и пропускает импульс рабочего тока в резистор 3. При этом длительность импульса рабочего тока составляет 10 мкс, а амплитуда тока составляет 2 А.

Аналогично происходит процесс переключения в высоковольтной полупроводниковой структуре, представленной на фиг. 3, при подаче на нее импульса управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения (фиг. 6, нижняя эпюра). В этом случае скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению
,
составила в данной структуре при эксперименте 7·10¹² В/с.

В эксперименте использовалась структура 5, имеющая толщину высокоомного слоя W = 500 мкм. Толщина p⁺ - эмиттеров составила 50 мкм, а концентрация легирования n-базы размером W равна N_d = 3·10¹³ см^-3. При этом площадь структуры равна 0,5 см².

Пример 3. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур реализован на полупроводниковой структуре ключевого типа, представленной на фиг. 4. От импульсного источника энергии 1 за время, равное 50 мс, заряжается конденсатор 2 величиной 5 нФ, до рабочего напряжения 4 кВ. Затем подается импульс управления от генератора импульсов управления 6 на полупроводниковую структуру 5 (фиг. 7, верхняя эпюра). С помощью индуктивности 4 величиной 50 нГн обеспечивается развязка импульса управления от цепи конденсатора 2 и резистора 3. В результате воздействия импульса управления на структуру 5 последняя переходит в проводящее состояние за время, приблизительно равное 10^-10 с, и пропускает импульс рабочего тока в резистор 3 с сопротивлением 0,1 Ом. При этом амплитуда тока составила 3 кА. Скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению
,
составила в данной структуре при эксперименте 7·10¹² В/с.

Аналогично происходит процесс переключения высоковольтных полупроводниковых структур типа структуры 5 на фиг. 4 при подаче на нее импульса управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения (фиг. 7, нижняя эпюра). В этом случае скорость нарастания импульса управления, соответствующая соотношению

составила в данной структуре при эксперименте 9·10¹² В/с.

В эксперименте использовалась полупроводниковая структура 5, имеющая толщину высокоомного слоя W = 600 мкм, площадь, равную 1 см². Толщина n⁺ - эмиттера равна 30 мкм, p-базы равна 50 мкм, а p⁺ - эмиттера равна 80 мкм. Концентрация легирования n-базы размером W равна N_d = 2,5·10¹³ см^-3.

Во всех приведенных примерах реализации предлагаемого способа остаточное напряжение на полупроводниковых структурах было получено менее 5% от величины рабочего напряжения.

Предлагаемый способ может использоваться для переключения и других типов структур, кроме тех, которые приведены в примерах.

Формула изобретения

1. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, отличающийся тем, что импульс управления, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению

где E₀ - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной N_a или донорной N_d примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая;
τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, при этом

где V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см.

2. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, отличающийся тем, что импульс управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению

где E₀ - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 10⁵ В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 10¹⁵ см^-3 каждая;
τ_s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, при этом
τ_s = W/V_s,
где V_s - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7