Карбидокремниевые размыкатели тока и генераторы субнаносекундных импульсов напряжения на их основе Смирнов Артем Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ тенденций развития высоковольтных генераторов нано- и субнаносекундных импульсов напряжения

1.1. Методы генерации высоковольтных нано- и субнаносекундных импульсов напряжения .8

1.2. Полупроводниковые размыкатели тока .11

1.3. Преимущества карбидокремниевых размыкателей тока .20

1.4. Выводы и постановка задач .27

Глава 2. Разработка карбидокремниевых размыкателей тока

2.1. Разработка структуры SiC-ДДРВ. Основные уравнения 28

2.2. Разработка модели SiC-ДДРВ. Основные уравнения 33

2.3 Оптимизация структуры карбидокремниевого ДДРВ в TCAD Synopsys .40

2.3.1. Исследование карбидокремниевой диодной структуры, рассчитанной на переключение 1,8 кВ. Выбор профиля легирования 42

2.3.2. Влияние физических эффектов на процесс переключения ДДРВ на 1,8 кВ 48

2.3.3. Разработка карбидокремниевой диодной структуры, рассчитанной на переключение 1 кВ .55

2.3.4. Исследование карбидокремниевого ДДРВ на 1кВ в одноконтурной схеме 58

2.4. Технологические этапы изготовления карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением .60

Глава 3. Экспериментальное исследование карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением

3.1. Анализ статических характеристик SiC-ДДРВ .63

3.2. Исследование динамических характеристик SiC-ДДРВ 74

3.3. Исследование температурной зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда в SiC-ДДРВ .84

3.4. Исследование эффективности генератора импульсов на основе SiC-ДДРВ .88 Выводы по главе .93

Глава 4. Разработка генераторов субнаносекундных импульсов напряжения на основе SiC-ДДРВ

4.1. Разработка генератора на одиночном SiC-ДДРВ 95

4.2. Разработка мощных генераторов на основе SiC-ДДРВ .101

4.2.1. Разработка методики разбраковки диодных структур для создания высоковольтных карбидокремниевых сборок 103

4.2.2. Разработка технологии создания высоковольтных диодных сборок на основе SiC-ДДРВ 108

4.2.3. Анализ статических и динамических характеристик высоковольтных сборок на основе SiC-ДДРВ .111

4.2.4. Высоковольтный генератор на основе последовательной компрессии энергии карбидокремниевыми ДДРВ-каскадами .115

4.2.5. Высоковольтный генератор на основе кремниевого и карбидокремниевого ДДРВ-каскадов .119

Выводы по главе 127

Заключение .128

Список принятых сокращений и обозначений .129

Литература

• Полупроводниковые размыкатели тока
• Оптимизация структуры карбидокремниевого ДДРВ в TCAD Synopsys
• Исследование температурной зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда в SiC-ДДРВ
• Разработка методики разбраковки диодных структур для создания высоковольтных карбидокремниевых сборок

Введение к работе

Актуальность работы. Создание мощных полупроводниковых коммутаторов нано- и субнаносекундного диапазона вызвано современными потребностями локационной, лазерной, преобразовательной техники, экспериментальной физики, где в ряде важных случаев решающими являются требования по надежности, малогабаритности, мгновенной готовности к работе, высокой стабильности, синхронизируемости, устойчивости к внешним воздействиям и т.д.

На сегодняшний день одним из широко применяемых и перспективных
полупроводниковых коммутаторов размыкающего типа, используемый в
генераторах с индуктивным накопителем энергии, является дрейфовый диод с
резким восстановлением (ДДРВ), созданный в 80-х годах под руководством
академика И.В. Грехова в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе
РАН. Дрейфовые диоды с резким восстановлением изготавливаются из
базового материала всей полупроводниковой электроники –
монокристаллического кремния. В последние 10-15 лет появились предпосылки
к созданию размыкателей тока на основе карбида кремния приборного
качества. Карбид кремния 4Н-политипа (4H-SiC) по своим основным
электрофизическим параметрам, таким как ширина запрещенной зоны,
напряженность электрического поля лавинного пробоя, максимальная рабочая
температура, теплопроводность – значительно превосходит кремний. Одним из
главных параметров ДДРВ является скорость переключения, определяемая
напряженностью электрического поля лавинного пробоя материала и
скоростью насыщенного дрейфа носителей. ДДРВ на основе кремния
обеспечивают скорость переключения напряжения порядка

10³ В/нс (на одном p-n-переходе), а частота повторения выходных импульсов ограничивается допустимым уровнем средней коммутируемой мощности, которая определяется максимальной рабочей температурой p-n-перехода. Простые теоретические оценки показывают, что ДДРВ на основе карбида кремния могут переключаться значительно быстрее кремниевых ДДРВ. Кроме того, карбид кремния отличается повышенной устойчивостью к механическим и радиационным воздействиям, что позволяет использовать приборы на его основе в жестких условиях эксплуатации.

Таким образом, применение карбида кремния для создания ДДРВ дает возможность улучшить их параметры – коммутируемую мощность, скорость переключения и тактовую частоту повторения формируемых импульсов напряжения, что открывает новые возможности при создании мощной импульсной техники. Очевидно, что разработка карбидокремниевых размыкателей тока, исследование процессов, влияющих на их работу и создание генераторов нано- и субнаносекундных импульсов напряжения на их основе, является актуальной научно-технической задачей.

Целью настоящей работы является разработка карбидокремниевых размыкателей тока на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением, исследование процессов при их переключении и создание генераторов

импульсов напряжения на их основе. Для ее достижения решались следующие задачи:

– проектирование оптимальной структуры карбидокремниевого ДДРВ;

– экспериментальное исследование процесса переключения карбидо-кремниевых размыкателей тока и сравнение с кремниевыми ДДРВ;

– сравнительный анализ факторов, влияющих не потери заряда в карбидокремниевом ДДРВ;

– разработка технологии создания высоковольтных диодных сборок, а также исследование синхронности срабатывания отдельных диодных структур в сборке;

– исследование последовательной компрессии энергии двумя каскадами карбидокремниевых ДДРВ;

– исследование работы кремниевого и карбидокремниевого размыкателей тока при их параллельном включении в структуре генератора импульсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Основное влияние на скорость переключения карбидокремниевых
ДДРВ оказывают эффекты неполной ионизации примеси и сужения
запрещенной зоны при сильном легировании эмиттерных областей, что
приводит к значительным потерям заряда и уменьшению максимальной
скорости нарастания напряжения на диоде до 3-3,5 В/пс.

1. Разработанная технология последовательного соединения N карбидокремниевых ДДРВ при условии идентичности их параметров обеспечивает синхронное срабатывание всех диодов в сборке и увеличение скорости нарастания напряжения в N раз при условии равенства импедансов сборки и базовой диодной структуры.

2. На основе карбидокремниевых размыкателей тока возможно построение генераторов импульсов с последовательной компрессией энергии. Однако использование в предварительном каскаде сжатия кремниевого ДДРВ позволяет повысить коэффициент полезного действия генератора вследствие значительных потерь заряда в SiC-ДДРВ при сохранении амплитудно-временных параметров формируемых импульсов напряжения.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Впервые экспериментально показана возможность формирования
субнаносекундных импульсов напряжения со скоростью нарастания переднего
фронта импульса 2-3,5 В/пс генератором с индуктивным накопителем энергии
на основе разработанных карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким
восстановлением в качестве размыкателя тока.

2. Впервые экспериментально и при помощи компьютерного
моделирования в программе TCAD Synopsys определены потери заряда в 4H-
SiC-ДДРВ, а также проведена оценка коэффициента полезного действия
генератора с размыкателем тока на основе 4H-SiC-ДДРВ. Осуществлен
сравнительный анализ факторов, влияющих на потери заряда в 4H-SiC-ДДРВ.
Показано, что наибольший вклад в увеличение потерь заряда вносят неполная
ионизация легирующей примеси и эффект сужения запрещенной зоны в
условиях сильного легирования эмиттерных областей.

3. Предложена методика разбраковки карбидокремниевых диодных структур на основании измерений их статических и динамических параметров.

4. Разработана технология соединения карбидокремниевых ДДРВ в высоковольтную сборку. Впервые экспериментально исследована работа этих сборок в качестве размыкателя тока в составе генератора импульсов напряжения. Показано, что диодные структуры в сборке срабатывают одновременно.

5. Разработана схема генератора субнаносекундных импульсов напряжения, построенная на основе последовательного сжатия энергии двумя карбидокремниевыми ДДРВ-каскадами.

6. Предложена схема построения высоковольтных генераторов, использующая последовательное сжатие энергии кремниевым и карбидокремниевым ДДРВ-каскадами.

Объект исследований – генераторы нано- и субнаносекундных импульсов напряжения на основе карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением.

Предмет исследований – переключение карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением в генераторах нано- и субнаносекундных импульсов напряжения.

Методы исследований и использованная аппаратура

Моделирование физических процессов в карбидокремниевых ДДРВ проводилось при помощи программного продукта TCAD Synopsys. Для измерения статических характеристик использовались: характериограф Л2-56, LCR-измеритель Agilent E4980A, высоковольтные источники-измерители STABIST-20 и Keithley 2657А. Измерение динамических параметров 4H-SiC-ДДРВ проводилось на специально разработанном стенде с применением стробоскопического высокочастотного осциллографа Tektronix DSA8300.

Практическая значимость работы определяется основными результатами, которые могут быть использованы при разработке карбидокремниевых размыкателей тока и генераторов импульсов напряжения на их основе:

– представлена методика расчета структуры карбидокремниевых размыкателей тока на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением, позволяющих формировать в структуре генератора импульсы напряжения со скоростью нарастания переднего фронта в 2-3 раза большей, чем кремниевые ДДРВ;

– получены экспериментальные данные о потерях заряда в 4H-SiC-ДДРВ, позволяющие оценивать коэффициент полезного действия проектируемых генераторов импульсов напряжения на их основе;

– разработана методика разбраковки отдельных 4H-SiC-диодных структур, предназначенных для их сборки в высоковольтные диодные столбы;

– разработана технология, позволяющая осуществлять соединение карбидокремниевых диодных структур в высоковольтные сборки без паразитных активных и реактивных сопротивлений;

– разработаны схемы построения мощных генераторов нано- и субнаносекундных импульсов напряжения на основе отечественных полупроводниковых приборов.

Достоверность полученных в диссертации результатов

подтверждается использованием современного измерительного оборудования, результатами независимых измерений, а также повторяемостью экспериментальных данных, которые находятся в полном соответствии с результатами моделирования и теоретических расчетов.

Личный вклад автора состоит в том, что основные результаты диссертационной работы получены лично им или при его непосредственном участии. Лично автором были проведены расчет оптимальной структуры размыкателей тока на основе карбидокремниевых ДДРВ и моделирование их переходных процессов. Разработаны и изготовлены стенды для исследования динамических характеристик как одиночных, так и собранных в высоковольтную сборку 4H-SiC-ДДРВ, проведено их комплексное экспериментальное исследование. При участии автора была разработана технология соединения диодных структур в высоковольтные сборки, разработаны образцы генераторов субнаносекундных импульсов напряжения и проведено их экспериментальное исследование.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены в виде докладов и обсуждались:

на международных конференциях: 16th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials. Italy, 2015; III научно-техническая конференция с международным участием «Наука настоящего и будущего», Санкт-Петербург, 2015; V международная научно-практическая конференция «Научные исследования и разработки молодых ученых», НГТУ, Новосибирск, 2015; 10th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, France, 2014.

На всероссийских конференциях: II, III, IV Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2015); 70-я Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 2015).

На региональных и внутривузовских конференциях: 66, 67, 68-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ «ЛЭТИ»; 68, 69-я Научно-техническая конференция, посвященная Дню радиo (Санкт-Петербург, 2013, 2014).

Внедрение научных результатов. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах по гос. контракту №21.2012-0110К/(12-19/ЦМИД-235) от 29.02.2012, №2013/306/(13-34/ЦМИД-255) от 20.05.2013, а также в опытно-конструкторской работе по гос. контракту №2013/305/(13/31/ЦМИД-253) от 06.05.2013, выполнявшихся в НОЦ «Центр микротехнологии и диагностики» СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Результаты диссертационной работы использовались на кафедре радиотехнической электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при подготовке бакалавров и магистров в рамках учебных дисциплин «Твердотельная электроника» и «Компьютерное моделирование и проектирование приборов и устройств

микроволновой и оптической электроники» соответственно направления подготовки «Электроника и наноэлектроника».

Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015618794 – «Программа расчета напряжения пробоя планарных р-п-переходов с произвольным распределением примеси (PNprofile)».

Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и обозначений. Общий объем работы составляет 140 страниц машинописного текста, включает 126 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 140 наименований.

Полупроводниковые размыкатели тока

В дальнейших исследованиях [85] был проведен анализ влияния различных факторов на процесс переключения 4H-SiC-ДДРВ, показавший, что определяющим механизмом является большая величина отношения подвижностей электронов n и дырок p в карбиде кремния, равная b = n/ p = 7,5 [65]. Вследствие чего скорость “вытягивания” ЭДП обратным током из прианодной области существенно превосходит скорость вытягивания из прикатодной области.

В работе [86] содержатся результаты исследования переключения карбидокремниевых ДДРВ в составе генератора импульсов напряжения с индуктивным накопителем энергии (рисунок 1.11). “Накачка” прямым током ДДРВ обеспечивается за счет разряда емкости С1 первого контура после срабатывания ключа Sw1. Замыкание ключа Sw2 второго контура обеспечивает разряд емкости С2 и протекание через ДДРВ обратного тока, после обрыва которого, накопленная в индуктивности L2 энергия, переходит в подключенную параллельно диоду нагрузку RL. В качестве ключей Sw1 и Sw2 используются тиристор и IGBT-транзистор соответственно.

На рисунке 1.12 показан импульс напряжения амплитудой 400 В, сформированный описанным выше генератором на нагрузке 350 Ом при использовании 4H-SiC-ДДРВ p+-p0-n+-типа с толщиной р-базы 12 мкм. Как видно из рисунка 1.12 длительность импульса на полувысоте составляет порядка 12 нс, скоростью нарастания переднего фронта dU/dt = 100 В/нс.

Полученное низкое значение скорости нарастания переднего фронта импульса (на порядок меньшее, чем у кремниевых ДДРВ), отражающее скорость переключения коммутатора, связывается с большой величиной накопительной индуктивности (L2 = 2 мкГн на рисунке 1.11) и емкостью 4H-SiC-диодной структуры. Для увеличения скорости переключения 4H-SiC-ДДРВ по мнению авторов, необходимо, во-первых провести оптимизацию структуры диода (увеличить толщину базы и площадь структуры, что позволит снизить емкость диода), а во-вторых, уменьшить значение накопительной индуктивности L2. Наряду с этим в работе анализируется возможность создания высоковольтного ДДРВ-коммутатора на основе карбида кремния, состоящего из пяти включенных последовательно структур, каждая из которых переключает напряжение величиной 20 кВ за время в 1 нс. При этом предполагается, что коммутатор работает на нагрузку 100 Ом.

В работе [87] были экспериментально исследованы динамические характеристики карбидокремниевых ДДРВ, имеющих структуру p+-p-n0-n+ и способных блокировать напряжение величиной 1000 В. Показано, что скорость переключения диодов при работе последовательно с нагрузкой в составе двухконтурной схемы лежит в субнаносекундном диапазоне.

Однако, не смотря на теоретические расчеты [82, 83] и полученные первые экспериментальные результаты [84-87], в научной литературе не было продемонстрировано работ, показывающих возможность формирования карбидокремниевыми ДДРВ импульсов напряжения при работе в одноконтурной схеме (в составе генератора) со скоростью нарастания переднего фронта dU/dt, большей или хотя бы сравнимой с кремниевыми коммутаторами. Кроме того, отсутствуют данные о практической разработке высоковольтных диодных сборок на основе 4H-SiC-ДДРВ, без использования которых невозможно построение мощных импульсных генераторов. Объяснения этому могут быть следующие. Во-первых, проектирование структуры 4H-SiC-ДДРВ требует точного и строгого расчета всех параметров диода, отвечающих за эффект сверхбыстрого обрыва тока. Во-вторых, изготовление высоковольтного размыкателя тока на основе карбидокремниевого дрейфового диода с резким восстановлением представляет сложную технологическую задачу. В-третьих, необходимо проведение комплекса экспериментальных исследований изготовленной диодной структуры, с целью определения оптимальных режимов работы 4H-SiC-ДДРВ в структуре импульсного генератора. В-четвертых, требуется разработать принципы построения высоковольтных генераторов нано- и субнаносекундных импульсов напряжения на основе 4H-SiC-ДДРВ, для реализации в полной мере всех преимуществ, которые может обеспечить карбидокремниевый коммутатор по сравнению в кремниевым.

На основании представленного литературного обзора можно сделать вывод, что размыкатели тока на основе карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением имеют большой потенциал при использовании в составе мощных генераторов с индуктивным накопителем энергии, формирующих импульсы напряжения нано- и субнаносекундной длительности и могут дать новый толчок развитию мощной импульсной технике. Для практического использования карбидокремниевых ДДРВ необходимо решить следующие задачи: а) провести проектирование карбидокремниевой ДДРВ-структуры, обеспечивающей скорость переключения значительно большую, чем кремниевые коммутаторы; б) провести комплексные теоретическое и экспериментальное исследования переключения карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением; в) разработать схемы генераторов с учетом результатов по проведенным исследованиям и технологию сборки высоковольтных коммутаторов на основе карбидокремниевых ДДРВ. Глава 2. Разработка карбидокремниевых размыкателей тока 2.1. Разработка структуры SiC-ДДРВ. Основные уравнения Основной задачей при разработке структуры 4H-8ІС-ДДРВ является выбор эпитаксиальной структуры с оптимальными параметрами базовой области (толщина и уровень легирования).

Параметры эпитаксиальных 4H-SiC структур для диодов (главным образом, это концентрация примесей в эпитаксиальном слое и его толщина) должны выбираться, исходя из компромисса между максимальным обратным напряжением диода и допустимым падением напряжения в прямом направлении. Дело в том, что при уменьшении концентрации доноров в эпитаксиальном слое и увеличении его толщины обратное напряжение в целом растет, однако при этом растет и сопротивление эпитаксиального слоя, которое не должно быть больше некоторой величины, определяемой допустимым падением напряжения в прямом направлении. Сопротивление диода в прямом направлении может быть уменьшено путем увеличения его площади, однако здесь необходимо учитывать и такие факторы, как степень дефектности пленок (основной тип дефектов - это микропоры, плотность которых ограничивает площадь диода) и стоимость пластин.

Приближенная оценка основных параметров карбидокремниевой структуры дрейфового диода с резким восстановлением проводилась по следующим формулам [88]. Толщина базы карбидокремниевого ДДРВ выбирается на основании требуемого напряжения /д, переключаемого диодом и максимальной напряженности поля пробоя карбида кремния Епр:

Оптимизация структуры карбидокремниевого ДДРВ в TCAD Synopsys

Моделирование работы диода проводилось в схеме с последовательно соединенными генератором напряжения, диодом и нагрузкой 50 Ом. Генератор формирует линейно меняющееся напряжение до 1,8 кВ за время 70 нс, которое накачивает диод электронно дырочной плазмой, а затем переключает его в обратном направлении до такого же напряжения за 2 пс. Площадь диода составляет 0,25 мм2, что в соответствии с упрощенной теорией, изложенной в п. 2.1, позволяет получить высокую максимальную скорость изменения напряжения около 10 В/псек. Идеальное переключение диода в этом случае должно было бы произойти при 105 нс, однако из-за потерь заряда переключение происходит при меньших значениях времени. Характеристики переключения диода, учитывающие последовательное подключение моделей физических эффектов, определяющих свойства приборов на основе 4Н-SiC, приведены

При использовании простейшей модели диода, обозначенной как V(E,Nfull) , которая учитывает только зависимость скорости носителей заряда от электрического поля и от полной концентрации примеси, получено значение максимальной скорости нарастания напряжения около 9 В/пс, что соответствует предельному значению для карбида кремния 10 В/пс. Остальные подключаемые модели обозначены как: BGN -эффект сужения запрещенной зоны; SRH - рекомбинация Шокли-Рида-Холла; Auger - Оже-рекомбинация; Incloniz- неполная ионизация примесей; V(E,Nlomzl) - учет рассеяния носителей только на ионизированных атомах примеси. В таблице 2.12 приведены значения потерь заряда при последовательном подключении моделей физических эффектов, определяемые как отношение Q+ - интеграла тока за время накачки к Q - интегралу тока за время вывода зарядов до момента переключения диода.

Mодель V(E,Nfull) BGN SRH Auger Incloniz V(E,Nioniz) dU/dt, В/пс 8,75 7,9 7,75 7,54 4,70 4,2 Q+/Q- 0,92 0,61 0,57 0,44 0,35 0,22 Очевидно, что наибольшее влияние на качество переходного процесса оказывают неполная ионизация примеси и эффект сужения зоны при сильном легировании. При этом неполная ионизация приводит к резкому возрастанию “пьедестала”, что сильно искажает фронт формируемого импульса. Уменьшить пьедестал возможно только, увеличивая площадь диода. На рисунке 2.16 показано изменение переходного процесса при увеличении площади диода [115]. Видно, что увеличение площади до 0,5-1мм2 снижает пьедестал до требуемого уровня (0,1-0,2)Umax. При этом максимальная скорость нарастания напряжения составляет более 2,5 В/пс. В таблице 2.13. представлены значения скорости нарастания напряжения в зависимости от площади диода.

Вид расчетных характеристики переключения в схеме с генератором напряжения при разных значениях площади ДДРВ. Использована полная модель

После рассмотрения переходного процесса данная диодная структура исследовалась в одноконтурной схеме генератора сверхкоротких импульсов напряжения (рисунок 2.17) [115]. Описание принципа действия схемы генератора, представленной на рисунке 2.17, дано в параграфе 3.2. Рисунок 2.17 – Схема формирователя сверхкоротких импульсов напряжения

На рисунке 2.18 приведен вид импульса, сформированного на единичном диодном чипе при моделировании реальной схемы [115]. Здесь важно отметить, что накачка диода проводилась с помощью полевого транзистора IXYS DE475-102N21A, который представлен spice-моделью [116].

Вид расчетных импульсов в схеме формирователя импульсов при разных значениях площади ДДРВ. Использована полная модель.

Длительность накачки составила 70 нс. Здесь Uтр – напряжение на стоке транзистора, UД импульс напряжения на диоде. Средняя скорость нарастания напряжения на переднем фронте составляет 3-3,5 В/пс, что значительно выше, чем для единичного диода на основе кремния.

Для подтверждения преобладающего влияния эффектов неполной ионизации примеси и сужение запрещенной зоны при сильном легировании эмиттерных областей на потери заряда в карбидокремниевых ДДРВ, было проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса переключения данной структуры. Площадь диода составляла 2 мм2.

Теоретическое исследование переходного процесса проводилось в схеме с генератором напряжения, представленной на рисунке 2.19 [117]. Режим работы схемы и последовательность анализа влияния физических эффектов были аналогичны рассмотренным на рисунке 2.15. Работа в одноконтурной схеме рассматривалась аналогично схеме на рисунке 2.17

Аналогично рассуждениям, представленным выше, за отправную точку для исследования была принята идеализированная модель карбидокремниевого ДДРВ, в которой учитывались только насыщение скорости носителей в сильном поле, а также влияние на подвижность носителей рассеяния на фононах и на полностью ионизированных примесях. При наличии указанных моделей наблюдается отсутствие потерь заряда (рисунок 2.19, кривая 1). Затем в расчет последовательно включались модели следующих физических эффектов:

Переходные характеристики напряжения на карбидокремниевой структуре с учетом различных моделей физических эффектов - сужение запрещенной зоны в условиях сильного легирования (кривая 2); - рекомбинация носителей по механизму Шокли-Рида-Холла (кривая 3); - Оже-рекомбинация (кривая 4); - ударная ионизация (кривая 5); - неполная ионизация легирующей примеси (кривая 6); - поправка на неполную ионизацию к примесному рассеянию (кривая 7). По приведенным на рисунке 2.19 переходным характеристикам [117] видно, что скорость переключения (dU/dt) во всех случаях практически одинакова, однако по мере подключения моделей физических эффектов в карбиде кремния переходные характеристики сдвигаются влево по шкале времени. Это свидетельствует о наличии потерь заряда в структуре. Из рисунка 2.19 видно, что неполная ионизация легирующей примеси (кривая 6) и сужение запрещенной зоны при высоких концентрациях примеси (кривая 2), приводят к существенным потерям заряда, а рекомбинация носителей по механизмам Оже и Шокли-Рида-Холла и ударная ионизация вносят меньший вклад.

Вид переходных характеристик при различных комбинациях полной и неполной ионизации в эмиттерах изображен на рисунке 2.20 [117]. Важно отметить, что влияние неполной ионизации, главным образом, определяется ионизацией примеси в p-области, поскольку энергия активации алюминия составляет 0,191 эВ, что значительно превышает энергию активации азота. При комнатной температуре концентрация дырок оказывается на два порядка ниже концентрации введенных акцепторов. Напротив, неполная ионизация в n-слое влияния на потери практически не оказывает.

Для экспериментального подтверждения влияния неполной ионизации примеси на потери заряда в карбидокремниевых ДДРВ, был проведен экспериментальный и численный анализ переключения диода в структуре генератора импульсов напряжения, схема которого представлена на рисунке 2.17 [117]. На рисунке 2.21 изображены экспериментальные и полученные в результате моделирования импульсы напряжения на стоке транзисторного ключа VT и на нагрузке Rн. Сплошными кривыми (1-3) показан результат моделирования, точками (1` и 2`) – экспериментальные зависимости.

Из приведенных на рисунке 2.21 зависимостей 1 и 2 следует, что результат моделирования только при учете всех вышеперечисленных эффектов совпадает с результатами эксперимента. Зависимость 3 рассчитана в приближении полностью ионизированной примеси, что приводит к значительному смещению импульса напряжения вправо по временной оси по отношению к импульсу, полученному экспериментально (кривая 2). Смещение импульса связано со снижением потерь заряда в структуре, как было показано при анализе влияния эффектов на рисунке 2.19. Вместе с этим уменьшилась амплитуда импульса, т.к. ДДРВ в схеме генератора работает не в оптимальном режиме, то есть на этапе протекания обратного тока основные носители выводятся из базы ДДРВ со скоростью, меньшей насыщенной.

Исследование температурной зависимости времени жизни неравновесных носителей заряда в SiC-ДДРВ

Напряжение на стоке UCток (t) транзисторного ключа, ток через ДДРВ /ДДРВ (t) и напряжение на нагрузке С/н () регистрировались Цифровым высокочастотным осциллографом. Обработка полученных данных проводилась формулам (3.6) - (3.12).

Наряду с экспериментальным исследованием потерь заряда в ДДРВ было проведено компьютерное моделирование в пакете TCAD Synopsys схемы генератора, представленной на рисунке 3.31. Транзисторный ключ был представлен как неидеальный коммутационный элемент - учитывались сопротивление канала в открытом состоянии, паразитная емкость сток-исток, было принято во внимание время срабатывания транзистора. На рисунке 3.32, а, б изображены [137] экспериментальные и расчетные зависимости напряжения на стоке транзистора (рисунок 3.33, а) и тока, текущего через индуктивность L1 (рисунок 3.32, б) при времени накачки Тнакач = 60 нс и напряжении питания Uпит = 60 В. Из рисунка 3.32 видно, что результаты эксперимента и компьютерного моделирования на этапе накачки прямым и обратным током совпадают. Это свидетельствует о достаточной точности принятой модели MOSFET-ключа. Различие расчетных и эмпирических зависимостей после момента срабатывания ДДРВ и формирования импульса напряжения на нагрузке на итоговые результаты не влияет.

Напряжение на стоке транзистора (а) и ток, текущий через индуктивность L1 (б). Эксперимент – жирная сплошная кривая, моделирование – тонкая штриховая кривая По данным компьютерного моделирования КПД всей схемы генератора при длительности накачки прямым током Тнакач = 60 нс и напряжении питания Uпит = 60 В составил 26%. При указанных выше параметрах источника питания и времени накачки, эффективность схемы генератора в эксперименте получилась равной 29%.

Отношение выведенного из диодной структуры заряда Q– при пропускании обратного тока I– к накопленному на стадии накачки прямым током I+ заряду Q+ по результатам компьютерного моделирования и эксперимента составило 0,29 и 0,31 соответственно, что свидетельствует о существенном вкладе 4H-SiC-ДДРВ в снижение общей эффективности схемы генератора [137].

Для определения оптимальных режимов работы генератора импульсов напряжения с карбидокремниевым ДДРВ, была проведена оценка влияния напряжения питания и длительности накачки на энергетические параметры генератора [137]. Для этого длительность накачки Тнакач карбидокремниевого ДДРВ менялась в пределах 60…80 нс. Напряжение питания Uпит варьировалось от 70 до 92 В. На рисунке 3.33, а, б представлены экспериментальные зависимости амплитуды импульса Uимп на нагрузке от времени накачки Тнакач при фиксированных значениях напряжении питания (рисунок 3.33, а) и зависимости энергии, выделенной на нагрузке от времени накачки Тнакач и напряжения питания Uпит (рисунок 3.33, б).

Зависимости амплитуды импульса Uимп на нагрузке 50 Ом от времени накачки Тнакач при различных значениях напряжении питания (а) и энергии, выделенной на нагрузке от времени накачки Тнакач и напряжения питания Uпит (б) На основании зависимостей, изображенных на рисунке 3.33, а, б можно сделать следующие выводы. При увеличении времени накачки Тнакач диодной структуры прямым током амплитуда формируемого на нагрузке импульса возрастает по закону, близкому к линейному. Получение необходимой энергии импульса на нагрузке возможно путем варьирования соотношения между длительностью накачки Тнакач и напряжением питания Uпит.

На рисунке 3.34, а, б показаны зависимости коммутационных потерь в MOSFET-ключе (рисунок 3.34, а) и эффективность генератора импульсов напряжения (рисунок 3.34, б) от времени накачки Тнакач и напряжения питания Uпит [137]. а) б)

Зависимости коммутационных потерь в транзисторном ключе (а) и эффективности генератора от времени накачки Тнакач и напряжения питания Uпит (б)

Из графиков на рисунке 3.34, а, б видно, что для повышения амплитуды и энергии импульса на нагрузке необходимо увеличивать время накачки диода и напряжение питания Uпит. Однако, при этом возрастают потери в 4H-SiC-ДДРВ и транзисторном ключе, что ведет к снижению общей эффективности схемы генератора. Следовательно, для получения требуемой амплитуды импульса напряжения на нагрузке необходимо использовать минимально возможную длительность накачки диодной структуры прямым током. Выводы по главе 1) проведенные экспериментальные исследования статических характеристик изготовленных карбидокремниевых ДДРВ показали, что диоды обладают приборным качеством и по максимальному обратному напряжению соответствуют расчетным значениям. 2) измерение динамических параметров карбидокремниевых ДДРВ показало, что скорость нарастания переднего фронта формируемого импульса напряжения составляет порядка 2 В/пс при амплитуде импульса 1000 В для диода площадью 0,5 мм2, что согласуется с расчетными значениями, полученными по результатам моделирования. 3) для исследуемого типа SiC-ДДРВ время жизни неравновесных носителей заряда возрастает от 230 нс до 1320 нс при увеличении температуры диода от 300 до 673 К. 4) переключение карбидокремниевых ДДРВ сопровождается большими потерями заряда. Для исследуемого типа диодной структуры величина потерь заряда по данным компьютерного моделирования и по результатам эксперимента составила 71% и 69% соответственно, что значительно превышает потери заряда в кремниевых ДДРВ. Коэффициент полезного действия генератора импульсов напряжения с размыкателем тока на основе 4H-SiC-ДДРВ по данным компьютерного моделирования и по результатам эксперимента составил 26% и 29% соответственно. Глава 4. Разработка генераторов субнаносекундных импульсов напряжения на основе SiC-ДДРВ

Разработка методики разбраковки диодных структур для создания высоковольтных карбидокремниевых сборок

В качестве конденсаторов C1-C4 использовались высоковольтные многослойные керамические чип-конденсаторы емкостью 220 пФ с диэлектриком NP0, рассчитанные на максимальное рабочее напряжение 1 кВ.

Для регулирования внесенного заряда в карбидокремниевые ДДРВ второго и третьего каскадов компрессии используются источники питания Uсмещ1 и Uсмещ2 соответственно. Цепи R1-L9, R2-L11 выполняют функцию фильтра по питанию. Значения сопротивлений и дросселей равны соответственно: R1 = R2 = 240 Ом, L9 = L11 = 2 мкГн.

Конденсатор С10 является разделительным и используется для предотвращения попадания постоянного напряжения от источника Uсмещ2 на вход высокочастотного осциллографа. Значение емкости конденсатора С10 составляет 0,1 мкФ.

Для упрощения читаемости схемы фильтрующие конденсаторы по цепи питания транзисторов VT1-VT4 не показаны.

Конструктивно генератор выполнен на основе печатной платы из материала FR-4 толщиной 1,5 мм, которая винтами крепится на латунный радиатор, являющийся несущим элементом и выполняющий роль теплоотвода. На печатной плате располагаются низковольтные элементы и транзисторные ключи VT1-VT4, при этом силовая часть генератора выполнена на основе навесного монтажа. Карбидокремниевые ДДРВ-сборки располагаются на медной пластине, имеющей размеры 40х8х70 мм, которая крепится винтами к латунному радиатору. Такое конструктивное решение связано с целью улучшения отвода тепла от карбидокремниевых диодов.

Для снижения температуры элементов L1-L8 при работе генератора в частотном режиме в качестве материала индуктивностей использовалась медная посеребренная проволока диаметром 1,5 мм с минимальным расстоянием при намотке между витками 1 мм.

На рисунке 4.26 представлена фотография внешнего вида генератора, цифрами обозначены: 1 – выходной высоковольтный разъем; 2 – вход для силового питания; 3 – разъем для подключения питания драйверов микросхемы IXZ4DF12N100; 4 – разъем для подачи напряжений смещения Uсмещ1 и Uсмещ2. Габаритные размеры генератора равны: по длине – 150 мм; по ширине – 135 мм; по высоте 82 мм.

На рисунке 4.27 показан импульс напряжения, формируемый разработанным генератором. Длительность импульса на полувысоте составляет 1,7 нс, максимальная скорость нарастания переднего фронта – 3,5 В/пс. Величина амплитуды импульса равна 3,5 кВ.

В Объединенном институте высоких температур РАН (ОИВТ РАН) в лаборатории мощных электромагнитных воздействий были проведены испытания спроектированного высоковольтного генератора при его работе на антенну, в качестве которой использовалась антенна апертурного типа на основе четырех согласованных ТЕМ рупоров. Волновое сопротивление каждого рупора было равным 200 Ом, размер апертуры составлял 50х50 см и выбирался исходя из электрической длины формируемых генератором импульсов напряжения.

Регистрация излучения проводилась при помощи преобразователя напряженности импульсного электрического поля (ИППЛ), представляющего собой полосковую линию. На рисунке 4.28 показан излученный импульс напряжения, представленный в терминах FOM = RxE(t), где R, м - расстояние между излучателем и точкой наблюдения (в дальней зоне излучения), E(t) - напряженность электрического поля импульса излучения, кВ/м.

Электродинамический потенциал излучателя при работе от генератора импульсов с выходным напряжением 3,5 кВ Проведенные испытания показали стабильность параметров генератора во времени при его работе в составе излучателя электромагнитных импульсов.

Для проверки частотного режима работы генератор был подключен при помощи направленного ответвителя к широкополосному высокочастотному осциллографу. В качестве поглотителя отводимой энергии использовалась согласованная нагрузка величиной 50 Ом. Испытания показали устойчивую работу генератора и стабильность амплитудно-временных параметров формируемых импульсов напряжения при частоте следования импульсов 100 кГц в непрерывном режиме.

Как было показано в работе [140] при построении мощных генераторов импульсов существует возможность комбинировать кремниевый и карбидокремниевый ДДРВ-каскады. В частности, авторами был продемонстрирован разработанный генератор с импульсной мощностью 1 МВт, выходной каскад которого содержал карбидокремниевый размыкатель тока, а предварительный каскад сжатия – кремниевый размыкатель тока. Такой выбор схемы построения обусловлен следующими соображениями.

На рисунке 4.29 показана типовая схема генератора с дрейфовым диодом с резким восстановлением в качестве размыкателя тока, который обозначен на схеме как VD. Как было отмечено в главе 2, при помощи источника напряжения Uсмещ возможно регулировать величину заряда, вносимого в ДДРВ на этапе накачки прямым током выбирая тем самым оптимальный режим работы диода. Для карбидокремниевых размыкателей тока пределы поиска оптимального режима значительно сокращены по сравнению с кремниевыми, что связано с большими потерями заряда в 4H-SiC-ДДРВ. На рисунке 4.30 показаны осциллограммы импульсов напряжения на стоке транзисторного ключа и на карбидокремниевом ДДРВ при его работе в схеме, представленной на рисунке 4.29. Величина напряжения смещения Uсмещ в данном случае практически равна нулю, при этом SiC-ДДРВ срабатывает до момента передачи энергии, накопленная в индуктивном контуре, в котором работает транзистор, в контур с диодом.

Отмеченный режим работы карбидокремниевых ДДРВ реализуется в генераторах, формирующих импульсы напряжения в единицы киловольт. Однако, при разработке мощных генераторов, характеризующихся выходной импульсной мощностью на уровне единиц-десятков мегаватт, использование карбидокремниевых ДДРВ в предварительном каскаде компрессии нецелесообразно.

Для увеличения энергии, отбираемой за один такт от источника постоянного напряжения, необходимо менять условия работы первичного ключа (транзистора) в колебательном контуре. Для этого следует повышать емкость конденсатора в стоке транзистора (конденсатор С2 на рисунке 4.29), расширяя тем самым формируемый им импульс напряжения. При значительном расширении импульса (свыше 50-60 нс на полувысоте) карбидокремниевый ДДРВ будет срабатывать раньше, чем энергия, накопленная в индуктивном контуре транзистора, передастся в контур с диодом. При этом источником смещения Uсмещ добиться необходимого режима работы 4H-SiC-ДДРВ будет уже невозможно. Так, на рисунке 4.31 показан импульс напряжения на стоке транзисторного ключа, на карбидокремниевом диоде при Uсмещ = 5 и на кремниевом ДДРВ при Uсмещ = 20.

В случае использования кремниевых ДДРВ, расширение импульса на транзисторе не приводит к потерям энергии, т.к. источником смещения Uсмещ можно выбрать оптимальный режим их работы вследствие малых потерь заряда. На рисунке 4.32 показаны осциллограммы напряжения на транзисторном ключе, на SiC-ДДРВ и Si-ДДРВ при напряжении смещения 5 В. Как видно, при одинаковом напряжении смещения кремниевый ДДРВ по временной шкале сдвинут вправо, на расстояние порядка 40 нс от импульса на карбидокремниевом ДДРВ. В данном случае кремниевый ДДРВ работает в режиме, когда он “перекачан”, т.е. срабатывает значительно позже по отношению к транзисторному ключу. Отмеченный режим работы в карбидокремниевых размыкателях практически не реализуется.