CC BY
88
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/141TVN415.pdf DOI: 10.15862/141TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/141TVN415)
УДК 621.373.54
Смирнов Артем Анатольевич
ФБГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
СПбГЭТУ (ЛЭТИ)» Россия, Санкт-Петербург1 Ассистент кафедры «Радиотехническая электроника»
Магистр E-mail: gr4211@mail.ru
Иванов Борис Викторович
ФБГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
СПбГЭТУ (ЛЭТИ)» Россия, Санкт-Петербург Доцент кафедры «Радиотехническая электроника»
Кандидат технических наук E-mail: bvivanov@yandex.ru
Кардо-Сысоев Алексей Федорович
ФГБУН «Физико-технический университет им. А.Ф. Иоффе РАН»
Россия, Санкт-Петербург Старший научный сотрудник Доктор физико-математических наук E-mail: alx@helen.ioffe.rssi.ru
Шевченко Сергей Александрович
ФБГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
СПбГЭТУ (ЛЭТИ)» Россия, Санкт-Петербург Бакалавр E-mail: dub003@mail.ru
Исследование процесса формирования субнаносекундных перепадов напряжения карбид-кремниевыми дрейфовыми диодами с резким восстановлением
1 197376, Россия, Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, дом 5 1
Аннотация. Представлены результаты исследования переключения карбид-кремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением с целью выбора оптимальных режимов работы дрейфового диода и определения максимально возможной скорости его переключения. Исследование проводилось методом математического моделирования в программе Synopsys, позволяющей проводить численный расчет физических процессов в полупроводниковых структурах в рамках диффузионно-дрейфовой модели. Показано, что при плотности тока через диодную структуру выше некоторого значения, оптимального для конкретной структуры, скорость переключения (скорость нарастания передней части фронта импульса) карбид-кремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением повышается. Однако, при этом увеличивается медленно нарастающая часть переднего фронта - так называемый "пьедестал" импульса напряжения, связанный с потерей накопленного заряда. Проведен сравнительный анализ различных факторов, влияющих на потери заряда в диоде. В работе исследовались карбид-кремниевые дрейфовые диоды с резким восстановлением с площадью 1, 0,5 и 0,25 мм2, имеющие р+-р-п+-структуру и рассчитанные на коммутацию напряжения величиной 1800 В.
Ключевые слова: карбид кремния; дрейфовые диоды с резким восстановлением; сверхкороткие импульсы напряжения; Synopsys; потери заряда; неполная ионизация примеси; размыкатель тока; скорость переключения; пьедестал; переходная характеристика; плотность тока.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Смирнов А.А., Иванов Б.В., Кардо-Сысоев А.Ф., Шевченко С.А. Исследование процесса формирования субнаносекундных перепадов напряжения карбид-кремниевыми дрейфовыми диодами с резким восстановлением // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/141TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/141TVN415
Введение
Среди мощных размыкателей тока, используемых в генераторах с индуктивным накопителем энергии, особое место занимают дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДРВ) запирающих свойств, возможность применения которых в качестве быстродействующих коммутаторов размыкающего типа впервые было продемонстрировано сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН [1].
Механизм работы ДДРВ можно описать следующим образом. В начальный момент времени через диод в прямом направлении пропускается импульс тока 1+ заданной длительности t+. В результате вблизи эмиттерных областей происходит накопление электронно-дырочной плазмы, которая обеспечивает высокую проводимость диода. На втором этапе меняется полярность напряжения на диоде, через диод протекает импульс обратного тока I-, длительность t- которого значительно меньше длительности прямого тока. По мере протекания обратного тока, происходит рассасывание электронно-дырочной плазмы (вывод основных и неосновных носителей из базы). При выполнении условия
* -+ * +< * ж
где tж - время жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в базе диода, и при оптимальном значении обратного тока, диод резко переходит в состояние с высоким обратным сопротивлением. При условии параллельного соединения ДДРВ и нагрузки, на ней формируется импульс напряжения, длительность переднего фронта которого зависит от динамических характеристик ДДРВ.
Как известно, скорость переключения ДДРВ определяется произведением напряженности электрического поля лавинного пробоя Екр материала и дрейфовой скорости насыщения носителей Vs [2]:
аи / & = ки • V,.
Для кремниевых ДДРВ подтвержденная практикой скорость переключения составляет 1 В/пс. В начале прошлого десятилетия появилась реальная возможность создания ДДРВ на основе карбида кремния, который по своим основным электрофизическим параметрам значительно превосходит кремний [3]. Простые оценки показывают [4], что карбид-кремниевые ДДРВ могут переключаться на порядок быстрее кремниевых коммутаторов. Авторами работы [5] впервые была показана возможность сверхрезкого (менее 1 нс) обрыва тока карбид-кремниевыми ДДРВ. В работах [6-7] было продемонстрировано переключение 4H-SiC-ДДРВ со скоростью 2-3 В/пс. Экспериментально полученные значения скорости срабатывания карбид-кремнивых размыкателей, очевидно меньше расчетных.
Целью данной работы является исследование процесса переключения карбид-кремниевых ДДРВ методом математического моделирования и определение максимально достижимой скорости их срабатывания. В опубликованной нами работе [8] было проведено экспериментальное исследование работы 4H-SiC-ДДРВ площадью 2 мм2. Моделирование этой же структуры в программе ТСЛО Synopsys показало расхождение с результатами эксперимента в пределах 5%. Это позволяет утверждать об адекватности выбранной модели диода и возможности учета в программе TCAD Synopsys всех физических эффектов, имеющихся в реальной диодной структуре. В данной работе методом математического моделирования исследуется переключение диодных структур с площадью 1, 0,5 и 0,25 мм2.
Результаты моделирования
В качестве исследуемого диода использовались 4H-SiC-ДДРВ, площадью 1, 0,5 и 0,25 мм2, имеющие р+-р-п+-структуру и рассчитанные на коммутацию напряжения величиной 1800 В. Толщиныр+-, р-, п+-областей составили 1,5, 18 и 3 мкм c уровнями легирования 1-1019 см-3, 5-1015 см-3 и 3-1018 см-3 соответственно.
Динамические характеристики 4H-SiC-ДДРВ исследовались при помощи моделирования в пакете TCAD Synopsys, в котором возможно проведение численного расчета физических процессов в полупроводниковых структурах с использованием широкого набора моделей ударной ионизации, генерации и рекомбинации, подвижностей носителей заряда и т.п.
На рис. 1 изображена схема, в которой исследовался переходный процесс в ДДРВ. В первый момент времени через диодную структуру протекает импульс прямого тока длительностью 70 нс, который переносит через диод заряд Q+, при этом база диода заполняется неравновесной электронно-дырочной плазмой. После окончания импульса прямого тока, происходит резкая смена полярности напряжения на генераторе У1, через диод начинает протекать обратный ток I-, что приводит к рассасыванию неравновесных носителей заряда в базе, инжектированных на стадии "накачки". После чего основные носители из базы выводятся со скоростью насыщенного дрейфа, что приводит к резкому восстановлению обратного сопротивления диода.
-N-
Рис. 1. Схема с генератором напряжения для исследования переходных характеристик
4И-Ж-ДДРВ
На рис. 2 представлены переходные характеристики, полученные в результате моделирования переключения карбид-кремниевых ДДРВ площадью 1, 0,5 и 0,25 мм2 в схеме с генератором напряжения.
1500
1000
РЭ
¡3
500
0 +
70
Рис. 2. Переходные характеристики напряжения на карбид-кремниевых ДДРВ-структурах разной площади в схеме с генератором напряжения
В табл. 1 сведены характеристики процессов переключения карбид-кремниевых структур разной площади. Для каждой из зависимостей на рис. 2 обозначены: -длительность переднего фронта импульса; ^зад - задержка переднего фронта относительно начала накачки; ип - величина пьедестала импульса; /dt - скорость нарастания напряжения на фронте импульса; Q+/Q- - относительные потери заряда.
Таблица 1
Характеристики переключения структур различной площади в схеме
с генератором напряжения
Бд, мм2 1фр, пс 1зад, нс ип, В dU/dt, В/пс
1 700 80,32 84 1,9 0,29
0,5 460 78,54 180 2,7 0,24
0,25 310 77,14 476 3 0,20
Из рис. 2 и таблицы 1 видно, что при уменьшении площади диодов возрастает амплитуда "пьедестала" импульса от 80 В до 476 В, что вызвано увеличением потерь заряда. При этом скорость нарастания быстрой части фронта повышается - от 1,9 В/пс до 3 В/пс. В работе [8] был проведен анализ физических эффектов в карбид-кремниевых ДДРВ, приводящих к потерям заряда в структуре. Было показано, что основными факторами, влияющими на потери заряда, выступают - неполная ионизация легирующей примеси и снижение подвижности носителей заряда за счет примесного рассеяния.
На рис. 3 представлена схема генератора сверхкоротких импульсов напряжения, в структуре которого исследовались характеристики переключения карбид-кремниевого ДДРВ. Схема работает следующим образом. От задающего генератора У3 поступают импульсы напряжения заданной длительности на вход транзисторного ключа УТ. В момент поступления управляющего импульса ключ УТ открывается и через карбид-кремниевый ДДРВ протекает прямой ток, накачивая диод электронно-дырочной плазмой. Величина тока определяется напряжением источника питания VI, индуктивностью Ь2 и длительностью накачки. В момент окончания задающего импульса, транзисторный ключ УТ закрывается и через диод начинает протекать обратный ток, обеспечивая вынос основных и неосновных носителей заряда из ДДРВ. В момент обрыва тока через диод Б1, энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности Ы перебрасывается в нагрузку Ю, формируя на ней
сверхкороткий импульс напряжения. Источник питания У2 позволяет менять величину вносимого в диод заряда на этапе протекания прямого тока и выбирать оптимальный режим срабатывания ДДРВ. Конденсатор С1 выполняет роль разделительного для предотвращения попадания постоянной составляющей напряжения в нагрузку.
Рис. 3. Схема генератора сверхкоротких импульсов напряжения с карбид-кремниевым
размыкателем тока
Номиналы элементов схемы на рис. 3 выбирались исходя из параметров импульса напряжения, которое необходимо сформировать на нагрузке Ю. Исследуемый диод способен переключать напряжения в 1800 В, соответственно, через нагрузку при формировании импульса такой амплитуды, будет протекать ток величиной 36 А. При площади диода 1 мм2, плотность тока через него будет составлять 3,6 кА/см2. Величина напряжения питания источника У1 выбирается исходя из условия:
VI = '-Ь.,
Г,..
гае
где I - ток через нагрузку Я1; Ь2 - величина индуктивности в стоке транзисторного ключа; Гнак - длительность задающего импульса, определяющего время накачки ДДРВ.
При расчете напряжения питания У1 следует иметь в виду, что транзисторный ключ имеет потери, соответственно, необходимо выбирать напряжение У1 с запасом. В моделируемой схеме использовалась модель полевого транзистора ЕХ24БЕ12Ш00. В работе [9] был определен коэффициент полезного действия данного транзистора, который составил порядка 60% (в зависимости от длительности управляющего импульса). Величина конденсатора С1 подбирается исходя из необходимой длительности импульса на стоке транзисторного ключа, определяющей величину заряда, инжектированного в ДДРВ на стадии накачки. Номиналы остальных элементов подбирались исходя их достижения наилучших амплитудно-временных параметров импульсов напряжения, формируемых на нагрузке.
На рис. 4 показаны импульсы напряжения, формируемые генератором с размыкателем тока на основе карбид-кремниевых ДДРВ площадью 1, 0,5 и 0,25 мм2. Кривой черного цвета показан импульс напряжения, на стоке транзисторного ключа УТ. Импульсы напряжения на диодах (и соответственно на нагрузке Ю) показаны кривыми синего, зеленого и красного цвета. Как видно из рис. 4 при уменьшении площади диода от 1 мм2 до 0,25 мм2 (т.е. при увеличении плотности тока, обрываемого диодом) импульсы напряжения сдвигаются влево по шкале времени, что свидетельствует о возрастании потерь заряда, т.к. обрыв обратного тока через диод происходит раньше, чем вывод основных носителей из базы диода. Другими словами, отношение зарядов 0+/0-, прошедших через ДДРВ при протекании прямого и обратного токов - уменьшается. Однако, при увеличении плотности тока количество заряда,
переносимое через диод прямым током, тоже возрастает. Сравнивая импульсы напряжения для структур площадью 1 мм2 и 0,5 мм2, можно сделать следующий вывод: при уменьшении площади структуры потери заряда, обусловленные неполной ионизацией примеси, компенсируются возросшим зарядом, переносимым прямым током на стадии накачки ДДРВ. Именно поэтому амплитуда импульса (см. рис. 4) для ДДРВ с площадью 0,5 мм2 увеличилась по сравнению со структурой, имеющей площадь 1 мм2.
Рис. 4. Переходные характеристики напряжения на структурах различной площади в схеме
генератора сверхкоротких импульсов напряжения
При дальнейшем уменьшении площади ДДРВ (до значения 0,25 мм2), пьедестал импульса возрастает еще больше. При этом амплитуда самого импульса напряжения снижается. Это свидетельствует о неоптимальном режиме работы ДДРВ, когда структура сильно перекачана прямым током, а обрыв обратного тока происходит значительно раньше достижения его максимума.
В табл. 2 сведены характеристики процессов переключения карбид-кремниевых структур разной площади. Здесь для каждой из зависимостей рис. 4 обозначены: /фр -длительность переднего фронта импульса; ип - величина пьедестала импульса; dU/dt -скорость нарастания напряжения на фронте импульса; ип - амплитуда импульса на нагрузке.
Таблица 2
Характеристики переключения структур различной площади в схеме генератора
сверхкоротких импульсов напряжения
Бд, мм2 1фр, пс ип, В dU/dt, В/пс Цимп, В
1 500 90,00 2,5 1480
0,5 320 180,00 3,7 1550
0,25 190 400,00 4,8 1410
Из данных, представленных в таблице 2 видно, что при уменьшении площади диодной структуры (и увеличении плотности тока), увеличивается скорость нарастания dU/dt переднего фронта импульса от 2,5 В/пс до 4,8 В/пс. Однако, при этом амплитуда пьедестала возрастает более, чем в 4 раза и составляет практически одну треть от амплитуды основного импульса.
Таким образом, при выборе режима работы карбид-кремниевого ДДРВ следует исходить из предъявляемых требований к амплитудно-временным параметрам импульсов. Например, при работе генератора сверхкоротких импульсов на излучающую антенну необходимо добиваться максимально возможной скорости нарастания импульса, т.к. излучение антенной электромагнитной волны в свободное пространство формируется на участке резкого перепада фронта импульса напряжения [10]. При этом пьедестал импульса представляет собой ту часть энергии, которая не будет излучаться антенной в свободное пространство, а будет рассеиваться на элементах антенны и генератора сверхкоротких импульсов.
Выводы
Представленные в работе результаты показывают возможность формирования сверхкоротких импульсов напряжения карбид-кремниевыми ДДРВ со скоростью нарастания переднего фронта 2-4 В/пс, что значительно превышает скорость переключения кремниевых ДДРВ. Дальнейшее уменьшение длительности переднего фронта сопровождается значительным ростом пьедестала импульса, что ограничивает рабочую (полезную) часть импульса напряжения. Показано, что увеличение плотности обрываемого дрейфовым диодом обратного тока выше некоторого значения ведет к значительному росту пьедестала импульса, что связано с ростом потерь заряда в SiC-ДДРВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. И.В. Грехов, Г.А. Месяц. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов. Успехи физических наук. 2005. Т.175. №7. С. 735744.
2. A.F. Kardo-Sysoev, V.I. Brylevsky, Y.S. Lelikov, I.A. Smirnova, S.V. Zazulin. Generation and radiation of powerful nanosecond and subnanosecond pulses at high pulse repetition rate for UWB systems. Proceedings of International Ultra-wideband Conference, Washington, DC USA. 1999.
3. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. №7. С. 435-439.
4. А.С. Кюрегян. Теория дрейфовых диодов с резким восстановлением. Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6. С. 57-64.
5. Grekhov I.V., Ivanov P.A., Konstantinov A.O., Samsonova T.P., Tech. Phys. Lett. 28, 544 (2002).
6. Афанасьев А.В., Иванов Б.В., Ильин В.А. Дрейфовые диоды с резким восстановлением на основе карбида кремния // Сб. трудов Всеросс. научно-технич. конф. «Электроника и микроэлектроника СВЧ». Санкт-Петербург. 2012. С. 260-262.
7. Afanasyev A.V., Ivanov B.V., Ilyin V.A., Kardo-Sysoev A.F., Kuznetsova M.A., Luchinin V.V. Superfast drift step recovery diodes (DSRDs) and vacuum field emission diodes based on 4H-SiC // Materials Science Forum. 2013. V. 740-742. P. 1010-1013.
8. А.В. Афанасьев, Б.В. Иванов, В.А. Ильин, А.Ф. Кардо-Сысоев, В.В. Лучинин, А.А. Смирнов, С.А. Шевченко. Исследование процесса переключения карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением. Сборник трудов IV-ой Всероссийской конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ". 2015. С. 215-219.
9. А.В. Афанасьев, Б.В. Иванов, В.А. Ильин, А.Ф. Кардо-Сысоев, В.В. Лучинин, А.А. Смирнов. Анализ эффективности 4H-SiC дрейфового диода с резким восстановлением в схеме генератора сверхкоротких импульсов. Сборник трудов II-ой Всероссийской конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ". 2012. С. 45-40.
10. А.В. Кочетов. Элемент антенной решетки для излучения мощных сверхкоротких импульсов. Сборник трудов IV Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике". 2013. С. 211-215.
Рецензент: Минин Владимир Иванович, старший научный сотрудник АО «НИИ "Вектор", кандидат технических наук».
Smirnov Artem Anatolyevich
Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» Russian Federation, Saint Petersburg E-mail: gr4211@mail.ru
Ivanov Boris Victorovich
Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» Russian Federation, Saint Petersburg E-mail: bvivanov@yandex.ru
Kardo-Sysoev Aleksey Fedorovich
Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences
Russian Federation, Saint Petersburg E-mail: alx@helen.ioffe.rssi.ru
Shevchenko Sergey Aleksandrovich
Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI» Russian Federation, Saint Petersburg E-mail: dub003@mail.ru
The study of the formation of subnanosecond voltage surges by silicon carbide drift step recovery diodes
Abstract. The results of studies of switching silicon carbide drift step recovery diodes in order to select the optimal operating conditions of the drift diode and determine the maximum possible speed of his switching are presented. The study was conducted by the method of mathematical modeling in the program Synopsys, allowing to carry out numerical calculations of physical processes in semiconductor structures under the drift-diffusion model. It is shown that the density of the current through the diode structure above a certain value, the optimum for a particular structure, the switching speed (slew rate of the front edge of the pulse) of silicon carbide drift step recovery diodes increases. However, this increases the slowly rising leading edge part - the so-called "pedestal" of voltage pulse associated with the loss of stored charge. A comparative analysis of the various factors that influence the loss of charge in the diode. We investigated silicon carbide drift step recovery diodes with an area of 1, 0.5 and 0.25 mm2 with p+-p-n+-structure and designed for switching voltage of 1800 V.
Keywords: silicon carbide; drift step recovery diodes; ultrashort voltage pulses; Synopsys; loss of charge; incomplete ionization of the impurities; circuit breaker current; switching speed; pedestal; transient response; current density.
REFERENCES
1. I.V. Grekhov, G.A. Mesyats. Poluprovodnikovye nanosekundnye diody dlya razmykaniya bol'shikh tokov. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2005. T.175. №7. S. 735744.
2. A.F. Kardo-Sysoev, V.I. Brylevsky, Y.S. Lelikov, I.A. Smirnova, S.V. Zazulin. Generation and radiation of powerful nanosecond and subnanosecond pulses at high pulse repetition rate for UWB systems. Proceedings of International Ultra-wideband Conference, Washington, DC USA. 1999.
3. Grekhov I.V., Efanov V.M., Kardo-Sysoev A.F. Formirovanie vysokovol'tnykh nanosekundnykh perepadov napryazheniya na poluprovodnikovykh diodakh s dreyfovym mekhanizmom vosstanovleniya napryazheniya // Pis'ma v ZhTF. 1983. T. 9. №7. S. 435-439.
4. A.S. Kyuregyan. Teoriya dreyfovykh diodov s rezkim vosstanovleniem. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 2004, tom 74, vyp. 6. S. 57-64.
5. Grekhov I.V., Ivanov P.A., Konstantinov A.O., Samsonova T.P., Tech. Phys. Lett. 28, 544 (2002).
6. Afanas'ev A.V., Ivanov B.V., Il'in V.A. Dreyfovye diody s rezkim vosstanovleniem na osnove karbida kremniya // Sb. trudov Vseross. nauchno-tekhnich. konf. «Elektronika i mikroelektronika SVCh». Sankt-Peterburg. 2012. S. 260-262.
7. Afanasyev A.V., Ivanov B.V., Ilyin V.A., Kardo-Sysoev A.F., Kuznetsova M.A., Luchinin V.V. Superfast drift step recovery diodes (DSRDs) and vacuum field emission diodes based on 4H SiC // Materials Science Forum. 2013. V. 740-742. P. 1010-1013.
8. A.V. Afanas'ev, B.V. Ivanov, V.A. Il'in, A.F. Kardo-Sysoev, V.V. Luchinin, A.A. Smirnov, S.A. Shevchenko. Issledovanie protsessa pereklyucheniya karbidokremnievykh dreyfovykh diodov s rezkim vosstanovleniem. Sbornik trudov IV-oy Vserossiyskoy konferentsii "Elektronika i mikroelektronika SVCh". 2015. S. 215-219.
9. A.V. Afanas'ev, B.V. Ivanov, V.A. Il'in, A.F. Kardo-Sysoev, V.V. Luchinin, A.A. Smirnov. Analiz effektivnosti 4H-SiC dreyfovogo dioda s rezkim vosstanovleniem v skheme generatora sverkhkorotkikh impul'sov. Sbornik trudov II-oy Vserossiyskoy konferentsii "Elektronika i mikroelektronika SVCh". 2012. S. 45-40.
10. A.V. Kochetov. Element antennoy reshetki dlya izlucheniya moshchnykh sverkhkorotkikh impul'sov. Sbornik trudov IV Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii "Sverkhshirokopolosnye signaly v radiolokatsii, svyazi i akustike". 2013. S. 211-215.
