автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Аналитические модели статических и переходных характеристик длиннобазовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ)

На правах рукописи

РГБ ОД 1 5 ДЕК 2000

НИКОЛАЕНКОВ Юрий Кимович

АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТАТИЧЕСКИХ И ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛИННОБАЗОВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (БТИЗ)

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2000

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Доктор технических наук.

профессор Петров Б.К.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Доктор физико-математических наук,

Зашита диссертации состоится «1Ъ> июня 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 063.81.01 при Воронежском государственном техническом университете (394026, г. Воронеж, Московский пр., 14, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « 26 » 2000 г.

Ученый секретарь

профессор Рембеза С.И.

Доктор технических наук, профессор Гуляев А.М.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

АООТ «Воронежский завод полупроводниковых приборов»

диссертационного совета

Горлов М.И.

-си Ив, О

Таким образом, задача по испарению пара сурьмы п вакуум сводится к решению уравнения теплопроводности

дс_ а^с

а а*2' <12>

Распределение сурьмы по высоте тигля в начальный момент времени постоянно, следовательно, начальное условие имеет вид

С(0,£) = 1. (г = 0, 0<£<1), (13)

Граничное условие на тыловой поверхности тигля

ас

= о

г>0.

£=0

Граничное условие на поверхности испарения

ас

+-

А

я-О,

& 1 + ^-0

2-д-02

А

С

с

V 7 г л4 ©

с

1

6-=—+0-1,

(14)

(15)

(16)

где - исходная концентрация раствора в начальный момент времени.

0 =

мп рА

Рв

А 1-м л

(17)

У

1-м,

л

(20)

где

£> - коэффициент диффузии сурьмы в расплаве, / - толщина слоя раствора - расплава.

Для решения задачи испарения сурьмы в вакуум была разработана программа, позволяющая в каждый момент времени т вычислять концентрацию вещества на поверхности испарения и тыловой стороне тигля а также поток и массы испаряемого вещества.

Анализ экспериментальных данных показал, что для исследуемых систем активность сурьмы весьма слабо зависит от температуры, имея тенденцию к уменьшению с ростом температуры.

Экспериментальные данные по активности сурьмы в расплавах

К

галлия

и индия, определяемые как отношение Ур о , приведены на рис.3 и рис.4.

Рис.3. Активность сурьмы в расплавах галлия

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С 1990 г. за рубежом (в США, Франции, ФРГ, Японии) в силовой полупроводниковой электронике широко используется новый класс приборов - биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT), который работает в ключевом режиме и предназначен для коммутации токов в нагрузке, потребляющей значительную мощность. Эти приборы обладают рядом достоинств: возможность управления с помощью напряжения (при малых импульсах тока включения-выключения), как и в мощных ДМОП транзисторах, но при этом обеспечиваются гораздо меньшие прямые падения напряжения (Uap~ 1,5*3 В) при токах /„¿,=304-200 А; высокие максимальные напряжения коллектор-эмиттер (/дэ= 1200+2500 В; превосходное быстродействие (время включения /,„>0,05 мкс, время выключения '«44-0,3+0,5 мкс, что значительно меньше, чем в мощных биполярных транзисторах).

Однако, несмотря на относительно долгое использование БТИЗ в схемах силовой электроники физика работы прибора остается не до конца изученной, а математической модели (подобной SPICE моделям для МОП транзисторов) до сих пор нет. Для БТИЗ с (/¡ам„сс<600 В (d„<2Lp), изготавливаемых на эпитакси-ально выращиваемых слоях с тонкой базой, процесс включения достаточно точно описывается диффузионной моделью переноса носителей, а процесс выключения сводится к простой рекомбинации носителей в базе прибора. Для другого же класса БТИЗ с {/аэлю.^ЮОО В (d„>4~6Lp) с однородно легированным кремнием в качестве базы физическое и математическое описание переходных процессов полностью отсутствует в зарубежной и отечественной литературе. Это объясняется сложностью нестационарных процессов в структурах простейшего ключа с одним БТИЗ и активной нагрузкой, обусловленных трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в n'-базе БТИЗ, толщина которой превышает в 4-6 раза диффузионную длину дырок Lp.

Нестационарные процессы в БТИЗ, входящих в состав полумостовых и мостовых схем с индуктивной составляющей нагрузки (величиной до нескольких микрогенри) и содержащих антипараллельные диоды, оказываются гораздо сложнее нестационарных процессов при включении и выключении одиночного БТИЗ в ключевой схеме с чисто активной нагрузкой. Для полумостовых схем расчеты по формулам для одиночного БТИЗ совершенно неприменимы и не позволяют получить достаточно точные аналитические выражения или численные значения для времен tBKjl и поскольку в данном случае надо учитывать одновременно переходные процессы восстановления обратного сопротивления быстродействующих высоковольтных антипараллельных диодов с р-n переходом и влияние реальных значений индуктивности в нагрузке L и паразитных гашук-тивностей в цепи постоянного тока (величиной до 100 нГн).

Сложность нестационарных процессов в таких структурах обусловлена также трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в n-базе БТИЗ, толщина которой d„ превышает в 3—4 раза диффузионную длину дырок Lp, кроме того, диффузионные эмитгеркые р-ячейки имеют размеры в 3-5 раз меньше d„, а также сложным характером поведения от времени токов через

БТИЗ и антипараллельный диод и напряжений на них из-за влияния индуктив-ностей в цепи питания.

Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе методов расчета переходных процессов при включении и выключении БТИЗ в реальных полумостовых схемах с антипараллельными диодами препятствует проведению оптимизации отечественных конструкций БТИЗ с целью повышения их быстродействия в таких наиболее распространенных схемах, не позволяет найти величины выброса прямого тока при включении БТИЗ и перенапряжений на БТИЗ при выключении.

Цель работы. Целью данной диссертации является разработка аналитических методов расчета распределения носителей заряда и электрических параметров биполярного транзистора с изолированным затвором с горизонтальным каналом и длинной базой в статическом и динамическом режимах. Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

1. Исследование явлений переноса носителей заряда в БТИЗ, происходящих в базовом слое толщиной в несколько диффузионных длин дырок;

2. Разработка аналитических моделей, описывающих процессы включения и выключения БТИЗ с толстой базой и активной нагрузкой:

3. Исследование прямого падения напряжения в приборах данного типа в зависимости от их конструктивных и физических параметров:

4. Моделирование переходных процессов в схемах полумоста с индуктивной нагрузкой:

5. Исследование физических процессов, происходящих в антипараллельных диодах в схеме полумоста и получение аналитических выражений, позволяющих оценить времена обратного восстановления диода при включении БТИЗ.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней впервые:

1. Установлено, что в БТИЗ с толстой базой (с1„>АЬГ) необходимо учитывать не только диффузионные процессы, которые доминируют в приборах с толщиной базы сравнимой с эффективной диффузионной длиной дырок, но также надо принимать во внимание дрейф носителей через базовый слой.

2. Предложены аналитические выражения для расчета распределения дырок в базе со временем при включении БТИЗ в ключевой схеме на активную нагрузку и формулы для времен включения и выключения прибора.

3. Из анализа работы основной ключевой схемы, применяемой на практике -схемы~полумоста~(Гиндуетйвной нагрузкой с двумя БТИЗ и двумя антипараллельными диодами впервые получены аналитические выражения для распределения подвижных носителей в базе БТИЗ, позволяющие достаточно точно оценить времена переключения /„„ и в такой схеме с учетом процессов происходящих в паре БТИЗ-антипараллелышй диод.

Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты анализа механизмов переноса заряда через толстую базу биполярного транзистора с изолированным затвором в статическом режиме и численная оценка полного прямого падения напряжения в приборе были использованы для разработки пер-

вого отечественного БТИЗ. Кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б.К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электроника», г. Воронеж) были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием однородно легированных подложек кремния п" -типа. В результате были созданы приборы КП 730А с (/о«агс=600ч-1200 В при токе коллектора 4—50 А. Инженерные формулы, полученные аналитическими методами для распределения носителей в базе БТИЗ, времен включения и выключения прибора, падения напряжения в базе и времени обратного восстановления антипараллельного диода могут быть использованы для разработки новых биполярных транзисторов с изолированным затвором и ключевых схем на их основе.

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ кафедры полупроводников и микроэлектроники ВГУ «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором», тема НИ4-618 и «Разработка многомерных моделей электрических и тепловых процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ)», тема НИЧ-802.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. В БТИЗ с толстой базой (с/„>4[,р) наряду с диффузионным переносом носителей в базе существенное влияние на статические и переходные процессы оказывает дрейф носителей через базовый слон прибора.

2. Результаты аналитического расчета в статическом режиме тока коллектора, прямого падения напряжения, коэффициента инжекции коллекторного р-п перехода в зависимости от конструктивных и технологических параметров.

3. Закон распределения носителей заряда со временем при включении прибора на активную нагрузку и время выключения БТИЗ, учитывающие физические процессы, происходящие в структуре БТИЗ с толщиной базы большей 4/.,.

4. Результаты аналитического расчета переходных процессов и времен включения и выключения полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой с учетом взаимодействия двух приборов - БТИЗ и антипараллельного диода.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, -2000), научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1997, 1998, 1999 гг.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1997, 1998), десятой научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (Воронеж, 1996), а также на ежегодных научно-технических конференциях аспирантов и научно-преподавательского состава ВГУ (Воронеж, 1996-2000 гг.).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 19-и печатных работах в виде статей и тезисов докладов. В совместных работах автору принадлежат некоторые выводы аналитических выра-

жений, результаты численных оценок по полученным аналитическим моделям и экспериментальные исследования. Определение направление исследований, обсуждение результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научным руководителем проф. Петровым Б.К.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 57 наименований, и содержит 125 страниц печатного текста, 16 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор современного состояния элементной базы для силовой полупроводниковой электроники, проведен анализ требований к приборам, работающим в схемах большой мощности.

Со времени появления БТИЗ проведено множество теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик, как одиночных приборов, так и гибридных модулей, содержащих несколько кристаллов со структурами БТИЗ. В работах [1,2] приведен анализ статического и динамического режима работы БТИЗ, при котором рассматривается лишь диффузионный механизм переноса дырок в п-базе прибора и при выводе выражений для распределения концентрации дырок уравнение непрерывности для дырок записывается в виде простого одномерного дифференциального уравнения второго порядка без члена, учитывающего дрейфовое поле. Такое подход справедлив для приборов с тонкой п-базой толщиной, сравнимой с диффузионной длиной дырок. Однако, для современных высоковольтных БТИЗ с IIтмтс= 1000-

о—

U

БТИЗ,

R,

К

-БТИЗ,

i д, к.

R3

К

1

Л Л

2500 В толщина базы составляет 80200 мкм, т.е. (5-7)£р, и в таких приборах наряду с диффузионным механизмом переноса неосновных носителей становится существенным дрейфовый механизм (особенно вблизи эмиггерного р-п перехода), влияние дрейфа дырок необходимо учитывать не только при определении времен включения и выключения БТИЗ, но и в ста-

Рис. I. Схема полумоста.

"тическом режиме для расчета важной характеристики прибора - прямого падения напряжения, расчет которого приводится в работе [1] также только в диффузионном приближении.

Основным схемным применением БТИЗ, наряду с ключами, является полумост с индуктивной составляющей нагрузки (рис. 1). Для такой схемы приводится множество экспериментальных измерений

динамических характеристик (3], однако аналитические или численные модели в литературе отсутствуют. В такой схеме при рассмотрении переходных процессов неприменимы выражения, полученные для ключевой схемы на активную нагрузку, поскольку необходимо учитывать влияние антипараллельного диода на процесс включения БТИЗ и постоянство коллекторного тока на первой стадии выключения БТИЗ. Кроме того, для экспериментальных зависимостей напряжения ию от времени при выключении БТИЗ в схеме полумоста в работе [4] дан анализ пиковому выбросу напряжения 11цэ, возникающему из-за э.д.с. самоиндукции на паразитных индухтивностях (рис. 1), но не приводится численная оценка этого эффекта.

Во второй главе рассмотрена работа БТИЗ в статическом режиме. Считая движение носителей одномерным, для нахождения распределения дырок в БТИЗ с толщиной базы большей (3—4)^ решалось стационарное уравнение непрерывности с учетом, как диффузионной составляющей тока, так и дрейфовой составляющей. Учитывая, что плотность тока коллектора д равна сумме плотностей дырочного и электронного токов в любой точке х это уравнение имеет вид:

с/2р(х) (6-1) Мс,п (¿р<х))2

^г] -

с1х (¿ + 1)2

)к___Км Ф^х) Р(х)

р(х)+ Ь х о +1

с/ВДА + 1)

= 0.

А у ск [}

где первый член учитывает диффузию дырок в базе БТИЗ. а третий член - дрейфовый перенос при больших уровнях инжекции. - концентрация доноров в п-базе.

Данное уравнение решалось при граничных условиях:

ср(х,1)

сх

г=о 2^/,

ио(.г,/)| =0, ■ч=х3

где граница эмиттерного р-п перехода с п - базой. Ы - Оп (()')/Ор (0).

Оценивая члены уравнения в различных точках л-базы, в работе делается вывод, что имеется точка х , которая разделяет две области с разными решениями этого уравнения. Ннже этой точки в уравнении можно пренебречь вторым и третьим членами и учитывать лишь диффузионную составляющую тока, а выше этой точки, ближе к эмиттеру, остается лишь дрейфовое приближение, а диффузионный член становится малозаметным. Распределение концентрации дырок для этих двух областей имеет следующий вид:

Р(Г) = I- + - °'52) ихг%Г ™ Х1<Х<Х';

5П—----эЬ—-!-

_ Ьрз Ьрэ

р(х)

1-

N.

¿п

Ь +1

г*.

</ч

Ь + 1р(х*) | 2(6+ +!)-!]

1 + -

АГ.

<1п

Ь + \р(х')

для х <х<х2, где Ъ - ширина диффузионных эмиттерных р-ячеек, а граничная

ЬХЪ,21 N Лпр(х{)

концентрация равна: р(х*) =

Используя предложенную диффузионно-дрейфовую модель для нахождения распределения дырок в п-базе БТИЗ выведена более точная формула для прямого падения напряжения на этом приборе. Полное падение напряжения на этом приборе состоит из падения напряжения на канале, на п-базе и на коллекторном р"-п переходе:

Первый и третий легко определяются (падение напряжения на канале определяется из ВАХ МОП транзистора на линейном участке, а на коллекторном переходе - равно к.р.п. этого перехода =0,5-0,6 В). С помощью интегрирования напряженности поля по толщине базы, в работе получены формулы для прямого падения напряжения на различных участках п' области, пример расчета по которым. для случая р(0)= 10 7 см"3, А/а,= !0м см'"' приведен на рис. 2. Видно, что при толщинах базы больше 51г падение напряжения резко увеличивается и значительно превышает требуемые значения 2-3 В." Кроме того, как видно из рис. 2 на падение напряжения на базе БТИЗ существенное влияние оказывает коэффициент инжекции коллекторного р"-п перехода ур.

и„ 12

(В)

6 7

(х2-0,52)/Ьрэ

Рис. 2. Зависимости падения напряжения на п" - базе БТИЗ от толщины базы.

Для коэффициента июкекцни ур коллекторного диффузионного р-п перехода БТИЗ в диссертации предложена более простая, по сравнении с существующими, методика расчета в случае большого уровня шсжекции в базе.

В третьей главе представлены модели процесса включения БТИЗ для двух основных схем применения - ключа с активной нагрузкой и полумоста с индуктивной нагрузкой.

Расчет процесса включения БТИЗ с активной нагрузкой проводился в диффузионно-дрейфовом приближен»« из рассмотрения распределения концентрации дырок р(х,1) в п-слое, описываемого нестационарным уравнением непрерывности:

Г- г -г

8i

д дх

где плотность дырочного тока имеет вид аналогичньш статическому режиму, поскольку рассматривались моменты времени, когда плотность тока коллектора практически не зависит от времени (прямоугольная ступенька тока). Данное уравнение решалось со следующими начальным и граничными условиями:

ёр(х,1)

дх

А-

• для оольших уровней инжекции дырок

= г,./>0

2 <70,

\ГЛЬ+ 1)-Ц

р{х,1)| = 0 - на подвижной границе тмиттерного р - п перехода с п - базой.

Поскольку уравнение второго порядка и нелинейное, то оно решалось приближенным способом. Как и в случае статического режима решение уравнения разбивалась на два решения: для области, где преобладает диффузионный механизм переноса дырок и области, где доминирует дрейфовый механизм. С помощью методом преобразований Лапласа, получилось следующее выражение для распределение дырок в этих областях:

_ г _ л!

р(х,1)=р(х1)

2_ Я

2Са

Ь

-еф\

р3

Ир, г

и

К

-еф

р>

(¿1' >, для х|<х<х ;

1--

26

Мап 2[х-.т'(г) |р2 (х'ШЬ + \)Пр1 [у^ + !)-!] Ъ + \

-К

с1п>

Ь + 1р{х(())

Р71

ДЛЯ X <Х<Х2.

Из этих уравнений получим следующие зависимости для граничной точки х от времени и граничной концентрации дырок:

/ >0.272

*•</) = 2,831 ., Р{х (0) = 1,43• 1015[

\xpj

С использованием полученных выражений получена формула для нестационарного падения напряжения на п-базе БТИЗ.

Для процесса включения БТИЗ в схеме полумоста (рис. 1) неприменимы формулы, полученные для ключа с активной нагрузкой, поскольку в этом случае необходимо учитывать влияние антипараллелыюгс диода. Временные зависимости напряжений и токов на БТИ32 и антипараллельном диоде Д| (рис. 1) при включении БТИЗг под действием прямоугольного импульса затворного напряжения Егз приведены на рис. 3. Для оценки полного времени включения БТИЗ в паре БТИЗ-антипараллельный диод /4-/1 необходимо определить следующие временные отрезки:

- ^ - время задержки появления электронного тока эмиттера за счет достижения напряжения на затворе порогового значения и,юр;

- Ь - когда ток на диоде переходит через нулевое значение и начинается время 1„ восстановления обратного сопротивления диода:

- ^ - достижение тока диода максимального обратного значения и начало рассасывания заряда в базе диода;

- 1| - соответственно конец времени обратного восстановления диода и полное время включения БТИЗ в схеме полумоста.

Для нахождения дырочного тока коллектора от времени использовано уравнение зарядоуправляемой модели:

¿оР(() ........ОД0

Рис. 3. Зависимости от времени при включении БТИЗ в схеме полумоста:

а) напряжения и тока через БТИЗ;

б) напряжения и тока через антипараллельный диод.

dt

Пользуясь экспериментальными справочными данными для импульсных

-------выходных~характеристик~БТИЗ ~най™

дено решение этого уравнения для разных времен жизни дырок в базе, из которого сделан вывод, что дырочный ток коллектора зависит от времени почти по линейному закону и в первом приближении записывается:

где для типичных значений времени жизни дырок тр в БТИЗе и постоянной вре-

2,778/0 2/„ мени затворнои цепи гг=кзСзэ". £ --для гр=2 гз и g = —- для тр-Г).

гр ■ тр

Распределение концентрации дырок в базе диода в любой момент времени при больших уровнях инжекции (р(х,0> П(-М) » ЭД/ = (1,5-1)-10м см"3) находится из решения нестационарного уравнения непрерывности:

<Э2Рд(х,1) 1 ¿Рд{х, О

Зх*

рзД

0„

с\

с начальным условием - стационарным распределением дырок:

рэЛ \

и фаничными условиями:

2 в/л(0 = /о_^й

,г=()

срч(х,1)

ах

рдт

1рэдЬ\

с/Л-

ц/г.7

"»Л

I - учитывая непрони-

цаемость границы п-базы с п'-подложкой для дырок.

Решение уравнения с этими условиями во временном интервале О

найдено с помощью метода преобразований Лапласа. Результаты расчетов по полученной формуле приведены на рис. 4 для типичного высоковольтного (£/„,,«5=500-1000 В) быстродействующего диода с параметрами: грО,1 мкс; т,,—0,2 мкс; г>л=0,1 мкс; Ь-2; 1Р,= 14 мкм; ¿/,^—3/^,-42 мкм. Время /| равно 0,132 мкс; время /2=0,223 мкс; /з=0,282 мкс. Время /2 найдено из первого граничного условия при /д(/г)=0, а время - из полученной формулы, принимая р;,{--,'з)=0.

Расчет рассасывания Заряда в п-базе антипараллельного диода при (дт(0,/з)=0) проводится из зарядоуправляемой модели для диода: ¿ОМ) ОМ)

л ТРД

что дает приближенную оценку времени

Предложен также другой метод расчета времени рассасывания заряда в базе /4-/3, который заключается в приближенной замене распределения концентрации дырок экспоненциальной зависимостью:

/К-М) = Лр(0)ехр

1рД.

1-ехр

Ь

•рэ

(начало координат помещено в середину оставшейся квазинейтральной п-базы).

С учетом такого распределения нестационарной концентрации дырок получена формула зависимости толщины квазинейтральной базы от времени. Показано, что расширение обратносмещенного р -п перехода происходит по линейному закону.

рд(х)/рд(0) 1

0,9 0,8 0,7 0.6 0,5 0,4 0.3 0.2 0.1 О

40 х, мкм

Рис. 4. Распределение концентрации дырок в базе диода в различные моменты времени (для <1,^=31.,,).

Для моментов времени, когда с1',<-Ир, экспоненциальная зависимость уже неточно описывает концентрацию дырок в квазинейтральной базе диода. В этом случае закон распределения близок к кссинусоидальному (см. кривую 4 рис. 4):

и время рассасывания заряда дырок /4-/3 в диоде определяется наибольшим временем пролета дырок через часть п-базы диода (от точки х',>0 до подвижной границы):

4 =

/г2Д

-1п

1 + 5111

1 -БШ

>Т

чЧ,"

Методика расчета времени рассасывания заряда в диоде состоит в сле-дуюшем:

Если, например, первоначальная толщина п-базы равнялась с/„(<1)=2£/,э, то рассматривается уменьшение толщины базы вдвое, т.е. до ¿„(¡^Мр,. По формуле находится максимальное время пролета дырок между точками х'(=0,5£рэ=0,25й?л(Г1) (х=1,5Ьрэ) и У2=0 (х=\Ьр,) для первоначального распределения.

Затем, рассматривая кривую, получившуюся после сужения п-базы диода до определяется для нее время пролета между точками х')=0

(х=1,5Ьр,) и У2=М>,5/^=0,5б/„(/2) (*=1 £/>,)•

Среднее время пролета и дает искомое время рассасьгеакия заряда для толщины базы <ИР,.

Таким образом, полное время обратного восстановления диода с параметрами, приведенными выше для рис. 4, равно: 'лг='4-'2=('з-'2)+('4-'з)=0-1640.03=0.18 икс для £/„=2£р,; 'гг=<4-<2К<)-<2)+04-'э)=0.15-Ю.06=0.21 икс для с/„=3^,.

В четвертой главе подробно описываются процессы, происходящие в структуре БТИЗ при выключении на активную нагрузку и в схеме полумоста на индуктивную нагрузху.

Время выключения БТИЗ определяется временем исчезновения канала и временем рассасывания накопленного заряда в п"-базе п-канального БТИЗ за счет рекомбинации электронов н дырок и вытекания электронов к р -коллектору, а дырок в эмиттер транзистора.

Изменение заряда (2Д0 от времени / описывается уравнением зарядо-управляемой модели:

¿о л 0 , ,ч , ,ч ОМ) , 1-г„ О л I)

(11

рк(0-*р э(')-:

р у р тр

При выключении БТИЗ происходит процесс расширения эмиттерного р" - п' перехода. который сопровождается одновременным уменьшением коллекторного тока, а убывание коллекторного тока происходит из-за понижения профиля распределения концентрации дырок р=р(х,1) со временем из-за медленного процесса рекомбинации дырок с электронами и вытекания дырок в эмиттерный р' - п" переход (при ур< 1). Таким образом, расширение эмиттерного р" - п~ перехода со временем ограничивается медленным рекомбинационным процессом. Полное расширение эмиттерного р" - п' перехода заканчивается лишь при 0.

Рассматриваются два случая: 1. Толстая п - база. ¿/„-х^ОМ 5-6)1^.

В этом случае из решения уравнения для плотности заряда £?р(0 найдено время выключения:

2,3026

Ъх

7р(Ь1+1)-1 2. Тонкая п - база. (1п=х2(0)~(3~4)[,р,.

С использованием некоторых упрощений получено следующее выражения для времени выключения: /

'еыкл = ,п

ОД

1 —

1

х2{0)~ЬЭрп(Ею) 0,95

ей

I V

/>э

Л

-1

В реальных быстродействующих БТИЗ с ' г/=0,25 мкс, ¿рт=22,4 мкм, £■(0=500 В, ¿эД£го)=66,52 мкм (при /VA,=1,5-1014 см'3). Поэтому при толщинах п' - базы i/„=jc'2(0)={4-5)L^,=89,44-111,8 мкм время выключения должно составлять '«ы*г= (3,35-2,61)гр=0,84-0,65 мкс, что достаточно хорошо согласуется с данными для БТИЗ фирмы International Rectifier. Следует также заметить, что такие малые значения Гр=0,25 мкс достигаются лишь при облучении готовых структур БТИЗ потоками быстрых электронов (Е>1 МэВ). В структурах БТИЗ без облучения электронами время жизни дырок в п' - базе составляет обычно 1-3 мкс, что приводит к недопустимо большим значениям параметра ttwJ>2-3 мкс).

Как и для включения БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой переходные процессы при выключении БТИЗ детально не анализировались в литературе. Прн выключении на индуктивную нагрузку процесс выключения состоит из двух фаз:

1. Расширения обратносмешенного эмиттерного р - п перехода за счет увеличения напряжения U/o до ¿'дэ при почти постоянном токе коллектора ■W'W/i^OWo [¡о - ток в нагрузке) при t\<t<t2. Превышение напряжения L/ю над величиной напряжения питания Ед-j (до 1.25£Vj), имеющее место в дальнейшем. обусловлено возникновением эдс самоиндукции на паразитных ин-дуктивностях 100 нГн в цепи постоянного тока (см. рис. 1).

2. Уменьшения коллекторного (и эмиттерного) тока />,<0 до нуля при почти постоянном напряжении Ь\->=( 1+1.25)/Гд-э при одновременном увеличении тока через антипараллельный диод Д, (/л(')=ЛгЛХ')) при />ь.

Для расчета времени этих стадий выключения БТИЗ использована зарядо-управляемая модель, которая в этом случае (при ta<t<h ток коллектора не изменяется) имеет вид:

</£?»(') ом)

Начальный ток коллектора, найденный в статическом режиме, при этом равен: 2qDpiSKp(0)bl

[yn{h^\)-\}Lp

р\- I М

С учетом этих выражений момент окончания первой фазы выключения имеет вид:

-Atr=h —r„ln

1 + (1 -ур)В

О ~Гр)В +

\ J

1

2(0,905+0,964)

типичных для реальных

где (¿>^1X0,905 + 0,964)}"1, при

о °р

БТИЗ отношениях х21Ьрз=Ъ-А.

Время второй фазы находится также из рассмотрения заряда дырок в базе БТИЗ, но при этом считается, что коллекторный ток убывает по закону:

IK(t) = IK(t2)exp -— [l - Mf + 0,5(M/)2], где M i tp)

WiW'lrpto+i)-!]'

а время отсчитывается от h-Тогда длительность второй фазы:

Мг = гр ln(lO[l - ММ + 0,5{ММ)г ]), где Д/=г3-/2.

Это уравнение решается методом последовательных приближений. Полное же время выключения 1,икл очевидно равно:

При 1^=0,25 мкс для быстродействующих БТИЗ получены значения W,=0,572-0,584 мкс, близкие к паспортным значениям {вьш для зарубежных приборов фирмы International Rectifier.

При моделировании динамических характеристик схемы полумоста с индуктивной нагрузкой, когда в процессе переключения БТИЗ ток нагрузки остается постоянным, необходимо учитывать влияние индуктивности подводящих проводов (Ls на рис. 1), чтобы предотвратить перегрузки по напряжению при выключении БТИЗ. В работе проанализировано влияние паразитных емкостей и индуктивности в цепи питания на процесс выключения БТИЗ. Емкости затвор-эмиттер и затвор-коллектор не окаывают заметного влияния на процесс выключения БТИЗ, а влияние индуктивности рассматривается подробнее.

Во время второй фазы с учетом того, что (У л (0-1 В при кь, из уравнения Ома для замкнутой цепи с учетом э.д.с. самоиндукции выведена зависимость напряжения во время второй фазы выключения:

Как видно из этой формулы в момент времени 1=12 при больших значениях индуктивности в цепи питания силового модуля с БТИЗ из-за э.д.с. самоиндукции пиковое напряжение и^-гЛЬ) может даже превышать максимально допустимое напряжение Июмак {¡Мкэпроб)- Причем для быстродействующих БТИЗ с малым временем жизни дырок гр в п-базе выброс напряжения (/¡сАЬ) увеличивается ио сравнению с обычными БТИЗ. Например, для БТИЗ ¡НОТА

090 F06 ию«а,с=Ш В, а при /,-100 Л, гр=0,2 мкс, 2Л.Г=100 нГн, £ЛЭ=400 В f/„(/2)-400+200 = 600 В = С/Юлш,с.

Анализ статического регкима и переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором, работающих в различных схемах позволил получить следующие результаты:

1. Исследованы механизмы переноса носителей заряда в БТИЗ с толстой базой. Вместо существовавшей диффузионной модели протекания тока для БТИЗ с толстой базой (¿¿>4ЬР) предложена более точная диффузионно-дрейфовая модель.

2. Для статического режима в одномерном приближении при больших уровнях инжекции получено распределение концентрации дырок в п ~ базе и формулы для падения напряжения и„- на базе БТИЗ. Установлено, что

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

дрейфовый механизм переноса дырок становится доминирующим над диффузионным вблизи эмиттерного р*-п перехода при толщине £/„>6^рз, а падение напряжения (/„- начинает резко увеличиваться при Представлена простая методика расчета коэффициента инжекции диффузионного коллекторного р^-п перехода БТИЗ.

3. Для БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой установлено, что в прнкол-лекторной области при включении БТИЗ преобладает диффузионный механизм переноса дырок, а около эмиттера доминирует дрейфовый механизм. Получены аналитические выражения для распределения концентрации дырок в зависимости от времени в этих областях и формула для нестационарного падения напряжения на базе БТИЗ при включении прибора в зависимости от времени протекания постоянного коллекторного тока.

4. Впервые дан анализ переходных процессов, происходящих при переключении БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой и антипараллельным диодом. С учетом изменения протекания тока в БТИЗ со временем при включении получены распределения концентрации дырок в п-базе диода и выражения расчета времени обратного восстановления диода через физические параметры диода и БТИЗ.

5. Предложены аналитические зависимости коллекторного тока от времени с учетом рекомбинации при выключении БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой, а также формулы для времени выключения Установлено, что минимальное время выключения /««,=2,3 гр (при ур-1) имеет место в длин-нобазовых' БТИЗ, для которых <1„--Ь^р„{Еу:})'>Ъ1 ,Р,.

6. Получены формулы, характеризующие длительность двух фаз выключения БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой: фазы расширения эмиттерного р -п перехода, происходящего при постоянном коллекторном токе, и второй фазы - убывания коллекторного тока при почти постоянном напряжении и^гг^ю-

7. Впервые предложено аналитическое выражение для пикового напряжения Ню при выключении БТИЗ в схеме полумоста из-за э.д.с. самоиндукции на паразитных индуктивностях в цепи питания. Показано, что в быстродействующих БТИЗ с малым временем жизни дырок в п-базе (гр_]<0,2 мкс) пиковое напряжение может превысить предельно допустимое напряжение

макс-

8. С помощью выведенных выражений для нестационарного падения напряжения на п" - базе и„-(\.) в ключевом режиме, а также в статическом режиме, можно ггроводить оптимизацию конструкций высоковольтных БТИЗ с заданными напряжениями 11юмакс л и,1р, динамическими параметрами /,„, 1т,а путем научно обоснованного выбора толщины с!„ и удельного сопротивления р„ п" - базы, времени жизни дырок Тр, топологии эмиттерных диффузионных р - ячеек.

С учетом полученных в настоящей работе результатов для статического режима работы БТИЗ кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б.К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электроника», г. Воронеж) были разработаны первые отечественные биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием

однородно легированных подложек кремния п" - типа. В результате были созданы приборы КП 730А с (/о^гс-бОО^-ПОО В при токе коллектора Д—50 А.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Di-Son Kuo, Chenming Ни An analytical model for the power bipolar-mos transistor// Solid-State Electronics. - 1986. - Vol. 29. - No. 12. - pp. 1229-1237.

2. Hefiier A.R., Blackburn D.L. An analytical model for the steady-state and transient characteristics of the power insulated-gate bipolar transistior// Solid-State Electronics- 1988.-Vol. 31.-No. 10. - pp. 1513-1532.

3. S. Clemente, A. Dubhashi, B. Pelly IGBT characteristics and applications// International Rectifier AN-983. - pp. 93-106.

4. Catt J., Chokhawala R., Pelly В. Введение по применению модулей БТИЗ в корпусах 600 В, ADD-A-PAK и INT-A-PAK// сб. Силовые полупроводниковые приборы: Пер. с англ. под ред. Токарева В.В. - 1995. - С. 509-544.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Переходные процессы при выключении биполярных транзисторов с изолированным затвором// Труды Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог, ТГРУ, 1995.-С. 109.

2. Nickolaenkov Y.K., Petrov В.К., Kursheva E.N. Switching characteristics of the power insulated gate bipolar transistor// Proc. of the Fifth International Seminar on Simulation of Devices and Technologies. - Obninsk, 1996. - P. 40-41.

3. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Теория полного падения напряжения для биполярных транзисторов с изолированным затвором// Тезисы доклада десятой научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов», Воронеж, 1996. -С.76-77.

4. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Моделирование эффекта защелкивания в биполярных транзисторах с изолированным затвором'/ Научно-технический семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва. 1996. - С. 217-221.

5. Петров Б.К., Николаенков Ю.К., Федоров М.Г. Статические вольтамперные характеристики биполярных транзисторов с изолированным затвором// Тезисы доклада Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика», Москва, 1996. - С. 67.

6. Отчет о научно - исследовательской работе «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором», Тема НИЧ-618, № госрегистрации 01.9.80003960.

7. Петров Б.К., Николаенков Ю.К., Косматых Д.А. Переходные процессы в быстродействующих параллельных диодах в структурах биполярных транзисторов с изолированным затвором// В сб. «Микроэлектроника и информатика -97», Тезисы докладов межвузовской науч.-техн. конференции студентов и аспирантов, ч.И. - Москва, 1997. - С. 115.

8. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Диффузионно-дрейфовая модель переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором// Известия вузов. Электроника - 1997. - № 2 - С. 58 - 62.

9. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Принципы создания биполярного транзистора с изолированным затвором// Тезисы доклада И Всероссийской науч.-техн. конференции «Электроника и информатика-97», 4.1. - М., 1997. - С. 115.

10. Петров Б.К., Николаенков Ю.К., Косматых Д.А. Влияние времени обратного воссталовления диода на область безопасной работы биполярного транзистора с изолированным затвором.// Межвузовский сб. научных трудов «Твердотельная электроника и микроэлектроника», Воронеж, 1997. - С. 59-64.

11. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Аналитическая модель процесса выключения в биполярных транзисторах с изолированным затвором// В сб. «Микроэлектроника и информатика - 98», Тезисы докладов межвузовской науч.-техн. конференции студентов и аспирантов: в 2 ч., Ч. 1. - М.: МИЭТ, 1998, С. 60.

12. Петров Б.К., Николаенков Ю.К.. Косматых Д.А. Переходные процессы в быстродействующих параллельных диодах в структурах биполярных транзисторов с изолированным затвором// Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, МЭИ. 1998. - С. 151-155.

13. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Переходные процессы при переключении высоковольтных БТИЗ на индуктивную нагрузку// Материалы докладов международного научно-технического семинара «Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах». Москва. МЭИ, 1999. - С. 401407.

14. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Переходные процессы при выключении высоковольтных БТИЗ в схеме полумоста// Известия вузов. Электроника - 1999. - №5. - С. 43—48.

15. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Расчет коэффициента инжекции коллекторного р-п перехода в биполярных транзисторах с изолированным затвором// Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры. Межвузовский сборник научных трудов ВГТУ, Воронеж. - 1999. - С. 123-129.

16. Николаенков Ю.К., Петров Б.К. Влияние индуктивности в цепи питания на переходные процессы в БТИЗ в схеме полумоста// Материалы докладов международного научно-технического семинара «Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, МЭИ, 2000. - С. 397401.

—17. Петров Б-К.. Николаенков Ю.К. Переходные процессы при включении БТИЗ в схеме полумоста с адтштара^ельньвТдиодо^/^МатериальГдокладов 6-ой международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», том.З, Воронеж. - 2000. - С. 2013-2021. ,

Заказ №¿2 (Гот 5. 2000 г. Тир./ЙРэкз. Лаборатория оперативной полиграфии В ГУ.

СПИСОК ОБ^клЧЕНИЙ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ

ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ.

1.1. Конструкции и принципы действия БТИЗ.

1.2. Статические вольтамперные характеристики.

1.3. Переходные процессы при включении и выключении

БТИЗ на активную нагрузку и в схеме полумоста.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ БТИЗ С ТОЛСТОЙ Ы-БАЗОЙ.

2.1. Одномерная аналитическая модель для расчета распределения подвижных носителей в базе БТИЗ.

2.2. Расчет падения напряжения на п-базе БТИЗ в статическом режиме.

2.3. Расчет коэффициента инжекции коллекторного р-п перехода в БТИЗ.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИ ДЛЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ

ВКЛЮЧЕНИИ БТИЗ С РАЗНЫМИ ВИДАМИ НАГРУЗОК.

3.1. Диффузионно-дрейфовая модель переходных процессов при включении длиннобазового БТИЗ с чисто активной нагрузкой.

3.1.1. Анализ влияния трехмерных эффектов растекания основных и неосновных носителей заряда в п - базе на точность одномерной модели определения переходной характеристики БТИЗ при включении ключа.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИИ

1„, 1Р - электронный, дырочный ток, А; п,)р - плотность электронного, дырочного тока, А/см2; - суммарная плотность тока, А/см ; п,р - концентрация электронов, дырок, см"3; л„, Рр- подвижность электронов, дырок, см /(В-с);

Дь 1)Р - коэффициент диффузии электронов, дырок, см /с; 1)а = 2----коэффициент амбиполярной диффузии, см /с;

Аг+Пр

Ъ = —— отношение подвижностей электронов и дырок; д - 1.6-10"19 Кл - заряд электрона; Е - напряженность электрического поля, В/см; тр - время жизни дырок, с;

Ьр = ф:рОа - амбиполярная диффузионная длина дырок в базе БТИЗ, см; ур - коэффициент инжекции коллекторного р+ - п перехода;

2 - ширина диффузионных эмиттерных р-ячеек;

4 - толщина п-базы БТИЗ; с1^о2 - толщина подзатвороного окисла БТИЗ; к - 1.38-10"23 Дж/К - постоянная Больцмана;

Т- температура, К; щ -1.5-10 см" - собственная концентрация носителей в полупроводнике; рп - удельное сопротивление п-базы БТИЗ, Ом-см;

Бк - площадь активной коллекторной области БТИЗ, см ; Ш- периметр всех диффузионных эмиттерных ячеек; ЬЭрп - ширина эмиттерного р-п перехода БТИЗ;

1/кэ - напряжение коллектор-эмиттер БТИЗ, В; изэ - напряжение на электродах затвор-эмиттер БТИЗ, В;

IIпор - пороговое напряжение открывания канала БТИЗ, В;

Кз - сопротивление в цепи затвора БТИЗ, Ом;

Сзэ - емкость затвор-эмиттер БТИЗ;

Сзк - емкость затвор-коллектор БТИЗ;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Однако, несмотря на относительно долгое использование БТИЗ в схемах силовой электроники физика работы прибора остается не до конца изученной, а математической модели (подобной SPICE моделям для МОП транзисторов) до сих пор нет. Для БТИЗ с 1/кэмакс^00 В (dn<2Lp), изготавливаемых на эпитаксиально выращиваемых слоях с тонкой базой, процесс включения достаточно точно описывается диффузионной моделью переноса носителей, а процесс выключения сводится к простой рекомбинации носителей в базе прибора. Для другого же класса БТИЗ с Lfewa^lOOO В (dn>4+6Lp) с однородно легированным кремнием в качестве базы физическое и математическое описание переходных процессов полностью отсутствует в зарубежной и отечественной литературе. Это объясняется сложностью нестационарных процессов в структурах простейшего ключа с одним БТИЗ и активной нагрузкой, обусловленных трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в п-базе БТИЗ, толщина которой превышает в 4-6 раза диффузионную длину дырок Ьр.

Нестационарные процессы в БТИЗ, входящих в состав полумостовых и мостовых схем с индуктивной составляющей нагрузки (величиной до нескольких микрогенри) и содержащих антипараллельные диоды, оказываются гораздо сложнее нестационарных процессов при включении и выключении одиночного БТИЗ в ключевой схеме с чисто активной нагрузкой. Для полумостовых схем расчеты по формулам для одиночного БТИЗ совершенно неприменимы и не позволяют получить достаточно точные аналитические выражения или численные значения для времен ¿еюг и ^ыкл, поскольку в данном случае надо учитывать одновременно переходные процессы восстановления обратного сопротивления быстродействующих высоковольтных антипараллельных диодов с р-п переходом и влияние реальных значений индуктивности в нагрузке Ь и паразитных индуктивно-стей в цепи постоянного тока (величиной до 100 нГн).

Сложность нестационарных процессов в таких структурах обусловлена также трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в п-базе БТИЗ, толщина которой йп превышает в 3-4 раза диффузионную длину дырок Ьр, кроме того, диффузионные эмиттерные р-ячейки имеют размеры в 3-5 раз меньше ¿4, а также сложным характером поведения от времени токов через БТИЗ и антипараллельный диод и напряжений на них из-за влияния индуктивностей в цепи питания.

Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе методов расчета переходных процессов при включении и выключении БТИЗ в реальных полумостовых схемах с антипараллельными диодами препятствует проведению оптимизации отечественных конструкций БТИЗ с целью повышения их быстродействия в таких наиболее распространенных схемах, не позволяет найти величины выброса прямого тока при включении БТИЗ и перенапряжений на БТИЗ при выключении.

Цель работы. Целью данной диссертации является разработка аналитических методов расчета распределения носителей заряда и электрических параметров биполярного транзистора с изолированным затвором с горизонтальным каналом и длинной базой в статическом и динамическом режимах. Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

1. Исследование явлений переноса носителей заряда в БТИЗ, происходящих в базовом слое толщиной в несколько диффузионных длин дырок;

2. Разработка аналитических моделей, описывающих процессы включения и выключения БТИЗ с толстой базой и активной нагрузкой;

3. Исследование прямого падения напряжения в приборах данного типа в зависимости от их конструктивных и физических параметров;

4. Моделирование переходных процессов в схемах полумоста с индуктивной нагрузкой;

5. Исследование физических процессов, происходящих в антипараллельных диодах в схеме полумоста и получение аналитических выражений, позволяющих оценить времена обратного восстановления диода при включении БТИЗ.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней впервые:

1. Установлено, что в БТИЗ с толстой базой (с1п>АЬр) необходимо учитывать не только диффузионные процессы, которые доминируют в приборах с толщиной базы сравнимой с эффективной диффузионной длиной дырок, но также надо принимать во внимание дрейф носителей через базовый слой.

2. Предложены аналитические выражения для расчета распределения дырок в базе со временем при включении БТИЗ в ключевой схеме на активную нагрузку и формулы для времен включения 1вкл и выключения 1выт прибора.

3. Из анализа работы основной ключевой схемы, применяемой на практике - схемы полумоста с индуктивной нагрузкой с двумя БТИЗ и двумя антипараллельными диодами впервые получены аналитические выражения для распределения подвижных носителей в базе БТИЗ, позволяющие достаточно точно оценить времена переключения 1вЮ1 и 1выкл в такой схеме с учетом процессов происходящих в паре БТИЗ-антипараллельный диод.

Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты анализа механизмов переноса заряда через толстую базу биполярного транзистора с изолированным затвором в статическом режиме и численная оценка полного прямого падения напряжения в приборе были использованы для разработки первого отечественного БТИЗ. Кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б.К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электроника», г. Воронеж) были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием однородно легированных подложек кремния п" - типа. В результате были созданы приборы КП 730А с икэмаКС=600-=-1200 В при токе коллектора 1к=50 А. Инженерные формулы, полученные аналитическими методами для распределения носителей в базе БТИЗ, времен включения и выключения прибора, падения напряжения в базе и времени обратного восстановления антипараллельного диода могут быть использованы для разработки новых биполярных транзисторов с изолированным затвором и ключевых схем на их основе.

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ кафедры полупроводников и микроэлектроники ВГУ «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором», тема НИЧ-618 и «Разработка многомерных моделей электрических и тепловых процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ)», тема НИЧ-802.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. В БТИЗ с толстой базой (с1п>АЬр) наряду с диффузионным переносом носителей в базе существенное влияние на статические и переходные процессы оказывает дрейф носителей через базовый слой прибора.

2. Результаты аналитического расчета в статическом режиме тока коллектора, прямого падения напряжения, коэффициента инжекции коллекторного р-п перехода в зависимости от конструктивных и технологических параметров.

3. Закон распределения носителей заряда со временем при включении прибора на активную нагрузку и время выключения БТИЗ, учитывающие физические процессы, происходящие в структуре БТИЗ с толщиной базы большей АЬР.

4. Результаты аналитического расчета переходных процессов и времен включения и выключения полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой с учетом взаимодействия двух приборов - БТИЗ и антипараллельного диода.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2000), научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1997, 1998, 1999 гг.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1997, 1998), десятой научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (Воронеж, 1996), а также на ежегодных научно-технических

11 конференциях аспирантов и научно-преподавательского состава ВГУ (Воронеж, 1996-2000 гг.).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 19-и печатных работах в виде статей и тезисов докладов. В совместных работах автору принадлежат некоторые выводы аналитических выражений, результаты численных оценок по полученным аналитическим моделям и экспериментальные исследования. Определение направление исследований, обсуждение результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научным руководителем проф. Петровым Б.К.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 57 наименований, и содержит 125 страниц печатного текста, 16 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Анализ статического режима и переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором, работающих в различных схемах позволил получить следующие результаты:

1. Исследованы механизмы переноса носителей заряда в БТИЗ с толстой базой. Вместо существовавшей диффузионной модели протекания тока для БТИЗ с толстой базой (с1п>4Ьр) предложена более точная диффузионно-дрейфовая модель.

2. Для статического режима в одномерном приближении при больших уровнях инжекции получено распределение концентрации дырок в п" - базе и формулы для падения напряжения и„- на базе БТИЗ. Установлено, что дрейфовый механизм переноса дырок становится доминирующим над диффузионным вблизи эмиттерного р+-п перехода при толщине ¿4>вЬрэ, а падение напряжения ип- начинает резко увеличиваться при с1п>5Ьрэ. Представлена простая методика расчета коэффициента инжекции диффузионного коллекторного р+-п перехода БТИЗ.

3. Для БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой установлено, что в приколлекторной области при включении БТИЗ преобладает диффузионный механизм переноса дырок, а около эмиттера доминирует дрейфовый механизм. Получены аналитические выражения для распределения концентрации дырок в зависимости от времени в этих областях и формула для нестационарного падения напряжения на базе БТИЗ при включении прибора в зависимости от времени протекания постоянного коллекторного тока.

4. Впервые дан анализ переходных процессов, происходящих при переключении БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой и антипараллельным диодом. С учетом изменения протекания тока в БТИЗ со временем при включении получены распределения концентрации дырок в п-базе диода и выражения расчета времени обратного восстановления диода через физические параметры диода и БТИЗ.

5. Предложены аналитические зависимости коллекторного тока от времени с учетом рекомбинации при выключении БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой, а также формулы для времени выключения Установлено, что минимальное время выключения ¿выкя=2,3 тр (при ур= 1) имеет место в длиннобазовых БТИЗ, для которых йп-ЕкрП(Екэ)^>ЬрЭ.

6. Получены формулы, характеризующие длительность двух фаз выключения БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой: фазы расширения эмиттерного р+-п перехода, происходящего при постоянном коллекторном токе, и второй фазы - убывания коллекторного тока при почти постоянном напряжении 11кэ=Екэ

7. Впервые предложено аналитическое выражение для пикового напряжения Ц~кэ при выключении БТИЗ в схеме полумоста из-за э.д.с. самоиндукции на паразитных индуктивностях в цепи питания. Показано, что в быстродействующих БТИЗ с малым временем жизни дырок в п-базе (трд<0,2 мкс) пиковое напряжение может превысить предельно допустимое напряжение икэмакс

8. С помощью выведенных выражений для нестационарного падения напряжения на п - базе ип-(\) в ключевом режиме, а также в статическом режиме, можно проводить оптимизацию конструкций высоковольтных БТИЗ с заданными напряжениями 1/кэмакс и ипр, динамическими параметрами 1вк;ь 1выю1 путем научно обоснованного выбора толщины йп и удельного сопротивления рп п - базы, времени жизни дырок тр, топологии эмиттерных диффузионных р - ячеек.

С учетом полученных в настоящей работе результатов для статического режима работы БТИЗ кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б.К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электро

118 ника», г. Воронеж) были разработаны первые отечественные биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием однородно легированных подложек кремния п - типа. В результате были созданы приборы КП 730А с икэмакс=600-И200 В при токе коллектора 1^=5О А.

1. B.J. Baliga, M.S. Adler, P.V. Gray and R.P. Love The insulated gate rectifier (1.R): A new power switching device// IEEE IEDM Dig. abstract 10.6. -1982.-pp. 264-267.

2. Б. Дж. Балига Эволюция техники силовых МОП-биполярных полупроводниковых приборов// ТИИЭР. 1988. - т.76. - № 4. - С. 117-127.

3. D. Y. Chen, S. Chandrasekaran, S. A. Chin A new FET-bipolar combinational power semiconductor switch// IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1984. - Vol. AES-20. - No. 2. - pp. 104-111.

4. F. Goodenough Power semiconductors// Electronic Devsign. 1987. -Vol.35.-No. l.-pp. 147-156.

5. B.J. Baliga and E. Sun Comparison of gold, platinum, and electron irradiation for controlling lifetime in power rectifiers// IEEE Trans. Electron Devices.- 1977. vol. ED-24. - pp. 685-688.

6. L. Lorenz MOS-controlled power semiconductor components for voltages from 50 V to 2000 V// EPE Journal. 1992. - Vol.2. - No. 2. - pp. 77-84.

7. Флоренцев C.H. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий (анализ рынка)// Электротехника. 1999.- №4. С. 2-9.

8. В. Jayant Baliga Power ICs in the saddle// IEEE Spectrum. 1995. - pp. 34-48.

9. Naresh Thapar and B. Jayant Baliga Enhancing the maximum controllable current density of the accumulation channel driven bipolar transistor// SolidState Electronics. 1999. - vol. 43. - pp. 395-402.

10. Zuxin Qin, E.M.S. Narayanan, M.M. De Souza A lateral MOS-controlled thyristor-enhanced insulated gate bipolar transistor// Solid-State Electronics. -1999. vol. 43. - pp. 1845-1853.

11. D.M. Garner, F. Udrea, H.T. Lim, W.I. Milne// Solid-State Electronics. -1999. vol. 43. - pp. 1855-1868.

12. P.K. Steimer, H.E. Griming, J. Werninger IGCT появление новой технологии для сверхмощных экономически эффективных преобразователей// Электротехника. - 1999. - №4. - С. 10-17.

13. Naresh Thapar and В. Jayant Baliga An experimental evaluation of the on-state performance of trench IGBT designs// Solid-State Electronics. 1998. -vol. 42. - No. 5. - pp. 771-776.

14. B.J. Baliga, M.S. Adler, P.V. Gray and R.P. Love Suppressing latch-up in insulated gate transistors// IEEE Electron Device Lett. 1984. - vol. EDL-5. -pp. 323-325.

15. S. Clemente, A. Dubhashi, B. Pelly IGBT characteristics and applications// International Rectifier AN-983. pp. 93-106.

16. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Моделирование эффекта защелкивания в биполярных транзисторах с изолированным затвором.// Научно-технический семинар «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», Москва, 1996. С. 217-221.

17. Т. P. Chow, В. J. Baliga, P. V. Gray, М. S. Adler, М. F. Chang, G. С. Pifer, Н. Yilmaz A self-aligned short process for insulated-gate bipolar transistors// IEEE Transactions on Electron Devices. 1992. - Vol. 39. - No. 6. - pp. 1317— 1320.

18. Кузьмин В. А., Юрков С. H., Поморцева Л. И. Анализ и моделирование статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором// Радиотехника и электроника. 1996. - т. 41. - №7. - С. 870-875.

19. Иванов В. В., Колпаков А. И. Применение IGBT// Электронные компоненты. 1996. - № 1(2). - С. 12-15.

20. G. Castino, A. Dubashi, S. Clemente, В. Pelly Protecting IGBTs against short circuit// International Rectifier AN-984. pp. 107-113.

21. Nakagawa A., Imamura K., Furukawa K.// Toshiba Rev. 1987. - No. 161. -P.34.

22. Heftier A.R., Blackburn D.L. An analytical model for the steady-state and transient characteristics of the power insulated-gate bipolar transistior// SolidState Electronics 1988. - Vol. 31. - No. 10. - pp. 1513-1532.

23. M. J. Lazarus, I. Smith, L. L. Jones, A. D. Finney Output characteristics of insulated gate bipolar transistor modules and improvement with substrate control// IEE Proceedings. 1988. - Vol. 135. - No. 5. - pp. 97-106.

24. Di-Son Kuo, Chenming Hu Optimization of epitaxial layers for power bipolar MOS transistor// IEEE Electron Device Letters. 1986. - Vol. EDL-7. -No. 7.-pp. 510-512.

25. Di-Son Kuo, Chenming Hu An analytical model for the power bipolar-mos transistor// Solid-State Electronics. 1986. - Vol. 29. - No. 12. - pp. 12291237.

26. Зи С. Физика полупроводниковых приборов/ Кн.2. Пер. с англ. 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с.

27. B.J. Baliga Fast switching insulated gate transistors// IEEE Electron Device Lett. 1983. - Vol. EDL-4. - pp.452-454.

28. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов/ В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. М.: Радио и связь, 1989. - 144 с.

29. High turn-off current capability of parallel-connected 4.5 kV trench -IEGTs/ T. Ogura, K. Sugiyama, S. Hasegawa et al.// Proceedings of 1998 International Symposium on Power Semiconductor Devices & Ics Kyoto. 1998. -P. 47.

30. Toshiba & Toshiba Semiconductor Group T. Sugimoto, Semiconductor Group Toshiba Corporation. Nov. 1998. - P. 30.

31. Catt J., Chokhawala R., Pelly В. Введение по применению модулей БТИЗ в корпусах 600 В, ADD-A-PAK и INT-A-PAK// сб. Силовые полупроводниковые приборы: Пер. с англ. под ред. Токарева В.В. 1995. -С.509-544.

32. Baliga В .J. Analysis of insulated gate transistor turn-off waveform// IEEE Electron Device Lett. 1985. - V.EDL. - N.6. - pp.74-77.

33. Отчет о научно исследовательской работе «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором», Тема НИЧ-618, № госрегистрации 01.9.80003960.

34. Петров Б.К., Николаенков Ю.К., Федоров М.Г. Статические вольтам-перные характеристики биполярных транзисторов с изолированным затвором.// Тезисы доклада Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика», Москва, 1996. С.67.

35. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Диффузионно-дрейфовая модель переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором// Известия вузов. Электроника 1997. -№2-С.58-62.

36. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов / В.П. Григоренко, П.Г. Дерменжи, В.А. Кузьмин и др. М.: Энергоатомиздат. 1988. - 280 с.

37. Справочник по специальным функциям. С формулами, графиками и математическими таблицами/ Под ред. М. Абрамовича и И. Стиган. Пер. с англ. под ред. В.А. Диткина и JI.H. Кармазиной. М.: Наука, 1979. - 830 с.

38. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чариков H.A. Полупроводниковые приборы/ Под ред. проф. В.А. Лабунцева. -М.: Энергоатомиздат. 1990. - 575 с.

39. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Л. -1986.-248 с.

40. Nickolaenkov Y.K., Petrov В.К., Kursheva E.N. Switching characteristics of the power insulated gate bipolar transistor.// Proc. of the Fifth International Seminar on Simulation of Devices and Technologies. Obninsk, May 13-17 1996.-P. 40-41.

41. Камке Э. Справочник по дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка/ Пер. с немецкого Н.Х. Резова и Б.Ю. Стер-нина. Под общей ред. Н.Х. Резова. М.: Наука. - 1966. - 260 с.

42. Khersonsky Y., Robinson M., Gutierrez D. Использование ультрабыстрых гексагональных диодов (HEXFRED) в мощных ключевых схемах// сб. Силовые полупроводниковые приборы: Пер. с англ. под ред. Токарева В.В. 1995.-С. 545-553.

43. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Переходные процессы при выключении высоковольтных БТИЗ в схеме полумоста.// Известия вузов. Электроника 1999. - №5. - С. 43-48.

44. Николаенков Ю.К. Моделирование растекания тока в высокоомной области ДМОП-транзистора.// Тезисы доклада Межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика», Москва, 1996.-С.121.

45. Петров Б.К., Николаенков Ю.К. Принципы создания биполярного транзистора с изолированным затвором.// Тезисы доклада II Всероссийской науч.-техн. конференции «Электроника и информатика 97», Зеленоград, 1997.-С.115.