Зі збільшенням зворотної напруги зворотний струм також росте, але повільніше, ніж з підвищенням температури. Лише при подачі зворотної напруги, більше нормованої, відбувається різке його збільшення, що може привести до пробою p – n -переходу.

Пряма напруга при малих прямих струмах, коли переважає спад напруги на переході діода, з ростом температури зменшується. При більших струмах, коли переважає спад на базі діода, залежність прямої напруги від температури стає позитивною. Точка, у якій відсутня залежність прямого спаду напруги від температури або ця напруга міняє знак, називається точкою інверсії.

У більшості діодів малої й середньої потужності допустимий прямий струм, як правило, не перевищує точки інверсії, а в силових потужних діодів допустимий струм може бути вище цієї точки.

Розділ 2. Загальнівідомості про напівпровідникові

розмикачі струму.

Нано- і субнаносекундні електричні імпульси піковою потужністю від мегават до тераватвикористовуються в цілому ряді областей найсучаснішої техніки, таких як релятивістська надвисокочастотна електроніка, широкополосна радіолокація, дослідження електромагнітної сумісності складних систем, підземна радіолокація, системи живлення лазерів і прискорювачів і т.п. Потужні короткі імпульси використовуються також й у цілому ряді напрямків сучасної експериментальної фізики, наприклад, в області керованого термоядерного синтезу й в інших широкомасштабних фізичних експериментах.

Для генерування потужнихнаносекундных імпульсів є два підходи, що розрізняються за способом нагромадження енергії – нагромадження в ємнісних накопичувачах (малоіндуктивні конденсатори й формуючі лінії) з наступною передачею енергії в навантаження через замикаючий ключ і нагромадження в магнітному полі індуктивного контуру зіструмом; в останньому випадку для передачі енергії в навантаження необхідно здійснити наносекундне розмикання великого струму. Другий метод представляє дуже великий інтерес для потужної імпульсної техніки, оскільки густина накопиченої енергії в індуктивних накопичувачах на півтора – два порядки більша, ніж у ємнісних, істотно менша вартість накопичувачів й, що теж істотно, імпульснанапруга на навантаженні при обриві струму може бути значно вища, ніж напруга на попередніх рівнях формування імпульсу. Однак швидкий обрив більшихструмів, коли потрібно розмикати струми в десятки килоампер при імпульсній напрузі мегавольтного рівня, є значно більшескладнішим, чим швидке замикання.

На стадії лабораторних експериментів ця проблема звичайно вирішується за допомогою плазмових розмикачів знано- і мікросекундним накачуванням, інжекційних тиратронів. Однак для реального застосування, особливо в області промислових технологій, така елементна база не може бути використана - в основному через малий термін служби розмикачів, нестабільності спрацьовування й неможливості їхнього використання в періодично.

Зі звичайних приладів, що випускаються промисловістю, розмикання струму за час порядку 10 нс може бути здійснене в спеціальних типах польових транзисторів. Такий транзистор являє собою, по суті, силову інтегральну схему із сотень тисяч паралельно працюючих мікротранзисторів з розміром 10-15 мкм. Робочанапругаприладу кілька сотень вольт, струм десятки ампер, і для створення імпульсу потужністю, скажемо, 50 МВт розмикач повинен складатися з 10⁴ транзисторів. Через очевидну складність і високу вартість таких систем питання про їхнє створення навіть не обговорювалося.

Найпростішим напівпровідниковим розмикачем струмуєзвичайнийдіод. При проходженні через нього струму в провідному напрямкуслабколегованап -база заповнюється електронно-дірковою плазмою внаслідок інжекції електронів і дірок через потенційні бар'єри п⁺ п - і р⁺ п -переходів. Потім через діод пропускається імпульс зворотного струму(мінус на р⁺ - контакті), при цьому дірки із плазми витягаються зовнішнім полем через р⁺ -, а електрони - через п⁺ -контакти. Поки концентрація дірок поблизу р⁺ п -переходу перевищує рівноважну, через діод протікає постійний струм, що обмежується опором навантаження - це фаза високої зворотної провідності (ВЗП).

Потім починає формуватися область об'ємного заряду (ООЗ), границя якої зміщується від р⁺ п -перехода в п -базу, напруга на приладі зростає, а струм у ланцюзі зменшується - це фаза відновлення зворотного опору (ВЗО). Проблема, по суті, полягає в тім, як зробити цей процес досить швидким.

Впершесубнаносекундний напівпровідниковий розмикач був створений ще в 50-х роках минулого століття - це був так званий діод з нагромадженням заряду (ДНЗ). Конструктивно цей прилад надзвичайно простий: у пластині кремнію п- типупровідності, завдяки дифузії боруз поверхні, створюється р⁺ п -переход і базова область із різким градієнтом концентрації, тобто із сильним вбудованим електричним полем. При протіканні прямого струму інжектовані цим переходом дірки при малому рівні інжекції гальмуються вбудованим полем поблизу інжектора. Потім через діод пропускається швидко наростаючий імпульс зворотного струму, накопичені дірки майже повністю виводяться на стадії високої зворотної провідності, після чого струм через діод різко, за , обривається, переходячи на підключене паралельно діоду навантаження. ДНЗ, безумовно, гранично простий розмикач із дуже гарною швидкодією, але напруга лавинного пробою такогор⁺ п -переходуз високолегованою базою лежить у межах 10-50 В, а робочий струмстановить сотні міліамперів, чого недостатньо для створення генераторів потужних високовольтних імпульсів.

Загалом кажучи, самий звичайний потужний високовольтний напівпровідниковий діод теж є розмикачемструму при перемиканні із прямого на зворотний струм, причому розмикає потужність, що для одиничного приладу може бути дуже великою, порядку мегавата, але у звичайних умовах тривалість процесу розмикання лежить не в нано-, а в мікросекундному діапазоні. Фізика цього процесу в умовах високої густини зворотного струму була детально розглянута в роботах фізиків ще в 1967 р., і хоча нагромадження електронно-діркової плазми в п -базер⁺ пп⁺ - структури при прямому струмі розраховувалося без врахування всіх нелінійних ефектів, а процес відновленняр⁺ п -переходу при протіканні великого зворотногоструму розраховувався з рядом нереальних наближень (сталість у часі зворотного струму, незалежність рухливості носіїв від поля й др.), основні фізичні особливості процесу були визначені дуже чітко[3,4]. Насамперед, було показано, що спад до рівноважного значення концентрації носіїву блокуючогор⁺ п -переходу й початок формування там області об'ємного заряду не приводить до різкого спаду зворотнього струму, якщо на границіООЗ є область, заповнена електронно-дірковою плазмою; характер спаду зворотного струму контролюється процесами "розсмоктування" плазми саме в цій області. Розрахункова форма розподілу плазми при високому рівні інжекції в п -базекремнієвоїр⁺ пп⁺ - структури при протіканні прямого струму і потім зворотного струмупри співвідношенні показано. Видно, що плазмовий "резервуар" на границіООЗ (ліва частина структури) існує тривалий час, визначаючи повільний спад зворотного струму й затягуючи процес вимикання. Несиметричність розподілу плазми при протіканні прямого струму й більша швидкість процесу відновленняв лівої границі, в бік якої витягуються зовнішнім полем дірки, пов'язані з тим, що в кремнії рухливість дірок втроє менша рухливості електронів,.

Показано форму розподілу електронно-діркової плазми в п -базікремнієвоїр⁺ пп⁺ - структури при протіканні постійного прямого струму( t = 0) і потім при протіканні зворотного струму. Товщина п -базыd , дорівнює амбіполярній дифузійній довжині , де D_n - коефіцієнт амбвполярної дифузії, τ час життя носіїв у п -базі при високому рівні інжекції; п — середня концентрація плазми.

Схематичне зображення розподілу носіїв й утворенняплазмових фронтів у п- базіз товщиною W_п при протіканні великого зворотного струму у р⁺ пп⁺ - структурі наведено нам на рис. 2.2. ООЗ - область об'ємного заряду. Нам показана також спрощена картина рухуплазмових фронтів при протіканні зворотного струму після появи ООЗ. Фронти тут вважаються різкими, а концентрація плазми - постійною по координаті. Звичайно середня концентрація п плазми досить велика(10¹⁶ -10¹⁷ см^-3 і час релаксації порушення нейтральності в ній малий (10^-12 с), тому процеси виносу дірок вліво й електронів вправо жорстко взаємозалежні. Було показано, що в цих умовах швидкість руху лівої границі описується формулою 2.1:

(2.1).

А лівої формулою 2.2:

(2.2)

і в кремнієвому діоді, де , ліва границярухається втроє швидше. Якщо щільність зворотного струму , де - концентрація рівноважних електронів у п -базе, а - їхня насичена швидкість, то поле в ООЗ праворуч і ліворуч контролюється зарядом рухомих носіїв, тобто залежить від щільності струму.

В принципі, такий рівень розуміння процесу відновленняпотужного діода при великій густині зворотного струму вже в 60-ті роки дозволяв сформулювати основні принципи створення потужногонаносекундногодіодного розмикача, однак це зроблено не було.Причиною був недостатній рівень розвитку потужної напівпровідникової імпульсної техніки того часу в цілому.

Розділ 3. Основні типи напівпровідникових розмикачів струму.

3.1. Дрейфовий діод з різким відновленням.

На даний час створено декілька основних типів напівпровідникових розмикачів великих струмів. У даній роботі ми розглянемо їх основні види. І почнемо даний розгляд із дрейфових діодів із різким відновленням

Цілеспрямована робота зі створення потужногодіодногонаносекундного розмикача була розпочата на початку 80-х років минулого століття у Фізико-технічному інституті ім. А.Ф. Іоффе РАН (ФТІ РАН). Поштовхом послужили результати роботи [11], у якій досліджувалася можливість створення високовольтногосилового діода із накопиченням заряду і було показано, що тривалість фази ВЗП збільшується, а фази ВЗО зменшується до величини менше 0,1 мкс у міру збільшення глибини залягання дифузійногор⁺ п -переходу.

Залежність t_взо (1, 2) і t_взп (3, 4) від глибини залягання рп -переходах_р . Параметри діодів: питомий опір бази 50 Ом/см, товщина бази 100 мкм, час життя носіївт_р = 20 мкс. Тут слід зазначити, що діоди в цій роботі були створені за технологією для силового напівпровідникового приладобудування. Основною особливістю технології є те, що глибокі р⁺ п -переходи виготовляються за допомогою спільної дифузії в повітряномусередовищібору й алюмінію з їхніх оксидів. Поверхнева концентрація А1 у цьому процесі має строго визначену величину(5-7)·10¹⁶ см^-3 , і тому дифузійний шарскладається із двох областей: сильно легованої(~ 10¹⁹ см^-3 ) "борної" р⁺ -області глибиною 10-20 мкм і протяжної (80-120 мкм), відносно слабко легованої "алюмінієвої" області із плавно зменшуваним градієнтом концентрації домішки. Шоклі-рідовський час життя неосновних носіїв t_п у цій області зменшується зростомконцентрації основних носіїв р і описується формулою (3.1):

(3.1)

Значення часу життя рівне порядку десятка мікросекунд. Тому при протіканні прямого струму через такийр⁺ рпп⁺ - діод р -областьвиявляється "залитою" електронно-дірковою плазмою. При перемиканні відбувається швидке зменшення концентрації плазми вр⁺ р -переході, однак, на відміну від ситуації з різким р⁺ п -переходом, це не приводить до утворенняООЗ, оскільки в проведенніструму беруть участь основні носії р -шару. Плазмовий фронт переміщається по р -шару в бік рп -переходу, і лише при наближенні до нього цього фронту починає формуватися ООЗ і зменшуватися зворотній струм. Таким чином, збільшення глибини р⁺ рп -переходу приводить до збільшення тривалості фази ВЗП і зменшенню тривалості ВЗО, оскільки до моменту утворенняООЗ значна частина заряду виявляєтьсявиведеною з діода. Саме така конструкція р⁺ р -переходунадалі використовувалася у всіхпотужнихнаносекунднихдіодних розмикачах.

Як вже відзначалося вище, присутність електронно-діркової плазми на зростаючій границі ООЗ, гальмує процес розширення, тобто зменшує швидкість наростання напруги на діоді й затягує спад струму. Тому, відповідно до сучасних уявлень, процес відновлення повинен протікати так, щоб рухомий плазмовий фронт в р -области від р⁺ р - до рп -переходу, і фронт, що рухається по п -базе від п⁺ п - до рп -переходу, зустрілися точно в площинірп -переходу. У цьому й тільки в цьому випадку протікання зворотного струму й розширенняООЗ буде відбуватися за рахунок швидкого руху тільки основних носіїв у протилежних напрямках від рп -переходу.

Однак тільки конструктивними засобами це здійснити досить складно. Так, якщо конструювати приладз робочою напругою, наприклад, 1,7 кВ на основі кремнію п -типа провідності, звичайно використовуваного для потужнихприладів, то максимальна ширина ООЗ й, отже, товщина п -бази повинна бути більше 140 мкм, а товщина р -області, виконаної дифузійним методом, не може бути більше, ніж 100-120 мкм. Тоді при більш-менш однорідному розподілі плазми в р - і п -областяхприладу зустріч фронтів відбудеться в п -базі (оскільки швидкість руху фронту в р -області втроє більше), і обрив струму буде досить повільним. Наносекундний обрив струму в кремнієвому р⁺ рпп⁺ - діоді можна здійснити, якщо зробити тривалість імпульсу прямого струму доситьмалою для того, щоб більша частина загальноїкількості виведеної плазми була зосереджена в р -області.

Основний експериментальний результат цих робіт наведений .

Через зразок проходив імпульс прямого струмуI_F з амплітудою 3 А і тривалістю від 0,4 до 1,2 мкс, а потім прикладався імпульс зворотної напруги, що наростає до 1,7 кВ за 40 нс (крива 4, I_F = 0). Добре видно, як у міру зменшення t_F скорочується час наростання напруги на діоді до ~ 2 нc при t_F = 400 нc. Процеси, що відбуваються при цьому, схематичнопоказані на рис. 3.3.

Рис. 3.3.

а) будова напівпровідникової структури; штриховою лінією показаний розподіл плазми після протікання короткого імпульсу прямого струму,

б) рухплазмових фронтів при протіканні імпульсу зворотного струму,

в) утворенняООЗ після закриття фронтів.

Дослідженір⁺ рпп⁺ -структури (рис.3.3а) виготовлені за допомогою спільної дифузії А1 і В у п - Sіз концентрацією донорів 10¹⁴ см^-3 _, глибина рп -переходу 120 мкм, товщина р⁺ -шару 50 мкм, товщина п -бази 200 мкм, робоча площа 0,3 см² . п⁺ -область виготовлена за допомогою дифузії фосфору на глибину 50 мкм. Форма розподілу плазми при накачуванні коротким (400 нс) імпульсом струму показана на рис. 3.3а штриховою лінією. Поблизу р⁺ -шару формується тонкий шарелектронно-діркової плазми з концентрацією порядку 10¹⁷ см^-3 , товщина якого зростає внаслідок дифузії.