Математическое моделирование асимметричных реверсивно-включаемых динисторов

Шувалов, Денис Сергеевич

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование асимметричных реверсивно-включаемых динисторов

кандидата технических наук: Шувалов, Денис Сергеевич
город: Саранск
год: 2003
специальность ВАК РФ: 05.13.18

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Математическое моделирование асимметричных реверсивно-включаемых динисторов»

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование асимметричных реверсивно-включаемых динисторов"

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева

На правах рукописи

ШУВАЛОВ Денис Сергеевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИММЕТРИЧНЫХ РЕВЕРСИВНО-ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск - 2003

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Мордовского государственного университета им Н.П. Огарева.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Е.М. Гейфман кандидат технических наук В.В. Чибиркин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ю.А. Корочков кандидат физико-математических наук, доцент Г.А. Смолкин

Ведущая организация: ВЭИ им. В.И. Ленина, г. Москва

Защита состоится «26» ноября 2003 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций КМ.212.117.07 при Мордовском государственном университете

им. Н.П. Огарева по адресу: 430000, г. Саранск, ул. Большевистская, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мордовского государственного университета им Н.П. Огарева

Автореферат разослан «24» октября 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

М.А. Борисов

2оо?-А 1 &о48

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Большие и постоянно возрастающие масштабы преобразования электрической энергии в современных устройствах силовой электроники, применяемых в радиотехнике, лазерной, ускорительной, локационной технике, термоядерной энергетике, а так же в силовой полупроводниковой преобразовательной технике, обуславливают необходимость в повышении величины коммутируемой мощности и скорости ее коммутации (коммутационных и частотных характеристик) единичным полупроводниковым прибором. Одним из приборов для решения данной задачи является реверсивно-включаемый динистор (РВД), работающий на основе принципа реверсивно-инжекционного управления [1]. Уникальные коммутационные характеристики этих приборов объясняются возможностью их одновременного и практически однородного включения по всей рабочей площади. Первоначально РВД был создан для импульсной техники, однако малые коммутационные потери, большая перегрузочная способность и устойчивость к быстронарастающим импульсам анодного тока делают этот прибор перспективным для использования в преобразовательной технике, особенно в области больших мощностей и повышенных частот.

РВД (рис. 1 а) представляет собой интегральную схему, состоящую из нескольких тысяч чередующихся тиристорных и диодных секций. При приложении к РВД напряжения обратной полярности через диодные секции протекает ток, и в структуре накапливается избыточный заряд, являющийся включающим для тиристорных секций. Критическая плотность заряда, необходимая для устойчивого режима включения, и электрические параметры прибора, характеризующие процесс коммутации, связаны с геометрическими и электрофизическими параметрами прибора и режимом его работы. Как показали проведенные исследования, значения электрических параметров могут отличаться в десятки раз в зависимости от геометрических и электрофизических параметров структуры РВД. Следовательно, для улучшения электрических параметров РВД необходимо оптимизировать его полупроводниковую структуру.

а) б)

Рис. 1. Конструкция реверсивно-включаемого динистора

Поскольку РВД принципиально не обладает обратной блокирующей способностью, то для того, чтобы улучшить его электрические параметры, в полупроводниковую структуру РВД вводится дополнительный буферный слой для ограничения распространения области пространственного заряда. Аналогичный прием используется при изготовлении асимметричных тиристоров. По аналогии с асимметричными тиристорами, полученная конструкция получила название "асимметричный" РВД (РВДА) - рис. 1 б. Однако, из-за сложности проектирования приборов такой конструкции и технологического процесса их изготовления, до настоящего времени не удавалось разработать и изготовить РВДА с приемлемым сочетанием и воспроизводимостью электрических параметров. В частности, по причине того, что известные математические модели являются приближенными и не позволяют рассчитать оптимальные геометрические и электрофизические параметры полупроводниковой структуры таких приборов.

В [2] разработана теория квазидиодной работы РВД, которая позволяет описать в аналитическом виде зависимости лишь некоторых из основных электрических параметров РВД1: амплитуды импульса напряжения в цепи накачки, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении - от толщины слаболегированной п-базы и концентрации легирующей примеси в ней, а также от формы и амплитуды плотностей токов, протекающих через прибор в процессах "накачки" и коммутации. Однако в этой теории используется одномерное приближение, то есть не учитывается влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в базовых и эмиттерных областях полупроводниковой структуры. Кроме того, не учитываются эффекты высокого уровня инжекции, имеющие место при работе РВД, (электронно-дырочное рассеяние и Оже-рекомбинация), влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, подвижность и время жизни неравновесных носителей заряда, неоднородное по объему распределение температуры. В последнее время, для регулирования электрических параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП) широко используются электронное и протонное облучение, которые также не рассматриваются в рамках теории квазидиодной работы РВД. Поэтому результаты данной работы следует считать оценочными.

Поэтому для расчета основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам полупроводниковой структуры необходимо создание неодномерной математической модели РВДА свободной от вышеуказанных ограничений. Известно, что до настоящего времени применительно к РВД и РВДА задачи такого уровня не решались. Таким образом, исходя из вышеизложенного вытекает цель работы.

1 Под основными электрическими параметрами РВД и РВДА (рис. 4) подразумеваются: 1Ьим - допустимое импульсное напряжение в закрытом состоянии, иискм - амплитуда импульса напряжения в цепи накачки, 1)тм - амплитуда пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, 11т - установившееся напряжение в открытом состоянии, Ц -время выключения.

Цель и задача исследования. Целью работы является разработка неодномерной математической модели РВДА учитывающей: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а- так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на электрофизические параметры полупроводниковой структуры; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы.

При этом решаются следующие задачи:

1. Разработка вышеуказанной математической модели для расчета основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры;

2. Исследование с помощью разработанной модели влияния геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА на основные электрические параметры РВДА;

3. Исследование с помощью разработанной модели влияния размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА на основные электрические параметры РВДА;

4. Исследование с помощью разработанной модели переходные процессов "накачки", коммутации импульса прямого тока и выключения РВДА:

5. Исследование с помощью разработанной модели влияния природы и характера распределения концентрации рекомбинационных центров, образующихся в процессе электронного или протонного облучения, на основные электрические параметры РВДА.

Методы исследования.

Проводится расчет основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры численными методами с использованием возможностей программы ОЕЭЗК (КЕ-ТСАЭ) [3].

Научная новизна полученных результатов и выводов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Разработана квазитрехмерная математическая модель РВДА в радиально-симметричноч приближении описывающая реальную полупроводниковую структуру в виде множества повторяющихся элементарных структур цилиндрической формы. Модель учитывает: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного-или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы:

концентрации легирующей примеси алюминия в базовом р-слое коллекторного р-п-перехода при заданной толщине слаболегированной п-базы приводит к уменьшению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к увеличению значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

3. Исследовано влияние размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры 'РВДА на его основные электрические параметры. Показано, что наилучшее сочетание электрических параметров прибора достигается при одинаковых размерах анодного и катодного шунтов. Установлено, что при увеличении размеров анодных и катодных шунтов увеличиваются значения амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, установившегося напряжения в открытом состоянии и снижается время выключения, что необходимо учитывать при проектировании РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника);

4. Исследовано распределение концентрации неравновесных носителей заряда в диодных и тиристорных секциях полупроводниковой структуры РВДА при его работе. Показано, что на заключительном этапе процесса "накачки" это распределение сильно неоднородно в поперечном направлении;

5. Исследовано влияние природы и характера распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения, на основные электрические параметры РВДА. Показано, что повышение дозы облучения приводит к увеличению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к уменьшению времени выключения РВДА.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что в ней разработана и апробирована на практике для решения задач проектирования математическая модель асимметричного реверсивно-включаемого динистора. Значения основных электрических параметров, рассчитанных по разработанной модели РВДА, соответствуют средним значениям экспериментальных данных с максимальным отклонением 9 %.

Данная модель позволила получить:

1. Зависимости основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры;

2. Зависимости основных электрических параметров РВДА от размеров диодных и тиристорных секций его полупроводниковой структуры;

3. Зависимости основных электрических параметров РВДА от природы и характера распределения рекомбинационных центров, образующихся в процессе электронного или протонного облучения.

В рамках данной работы проведена оптимизация конструкции полупроводниковой структуры РВДА, в частности выбраны оптимальные значения толщины слаболегированной п-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-

слоя и буферного п'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения - для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии. Впервые изготовлены асимметричные реверсивно-включаемые динисторы, обладающие уникальными параметрами.

Реализация и внедрение результатов работы.

На основе математической модели и результатов расчета зависимостей основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его структуры, природы и характера распределения рекомбинационных центров, образующихся в РВДА в процессе электронного или протонного облучения, были разработаны конструкторская документация и технологический процесс, которые используются при изготовлении этих приборов на ОАО "Электровыпрямитель''.

2001 и 2003 г.г.) и "Силовая электроника и энергоэффективность" (Харьков,

2002 и 2003 г.г.), Международном симпозиуме "Электротехника 2010" (Москва, 2001 г.), на научной конференции "Огаревские чтения" (Саранск, 2001 и 2002 г.г.), на научных семинарах Средневолжского математического общества под руководством профессора Воскресенского Е.В. (Саранск, 2002 г.) и на заседаниях кафедры микроэлектроники Факультета Электронной Техники в Мордовском государственном университете имени Н.П. Огарева (Саранск, 2001,2002 и 2003 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, разбитых на разделы, заключения, библиографического списка и трех приложений. Объем диссертации без приложений - 110 страниц. Библиографический список содержит 93 наименования.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Квазитрехмерная математическая модель РВДА в радиально-симметричноч приближении описывающая реальную полупроводниковую структуру в виде множества повторяющихся элементарных структур цилиндрической формы. Модель учитывает: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы:

2. Результаты исследования, полученные с помощью разработанной модели, распределения концентрации неравновесных носителей заряда в

диодных и тиристорных секциях полупроводниковой стру ктуры РВДА при его работе, показавшие, что на заключительном этапе ''накачки" это распределение сильно неоднородно в направлении тиристорных секций;

3. Результаты расчета, полученные с помощью разработанной модели, зависимостей основных электрических параметров РВДА от размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА, показавшие, что наилучшее сочетание электрических параметров прибора достигается при одинаковых размерах анодного и катодного шунтов. Установлено, что при >величении размеров анодных и катодных шунтов увеличиваются значения амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении. > становившегося напряжения в открытом состоянии и снижается время выключения, что необходимо учитывать при проектировании" РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника).

4. Результаты расчета, полученные с помощью разработанной модели, зависимостей основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры. В частности показано, что уменьшение поверхностной концентрации легирующей примеси алюминия в базовом р-слое коллекторного р-п-перехода при заданной толщине слаболегированной п-базы приводит к уменьшению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к увеличению значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии. В результате расчетов были установлены оптимальные значения толщины слаболегированной п-базы. глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного п'-слоя. при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения — для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

5. Результаты исследований, полученные с помощью разработанной модели, влияния протонного и электронного облучения на основные электрические параметры РВДА. Показано, что повышение дозы облучения приводит к увеличению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к уменьшению времени выключения РВДА. Значения рассчитанных электрических параметров РВДА для различных значений доз электронного и протонного облучения хорошо совпадают с экспериментальными усредненными значениями, с максимальным отклонением 9%.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки неодномерной математической модели асимметричного реверсивно-включаемого динистора, показаны научная новизна и практическая ценность.

сформулированы цель и задачи диссертационной работы, положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе- приведен обзор методов и дан анализ современного состоянии моделирования СПП. Рассматриваются способы математического описания работы РВД. Исходя из анализа этих данных, в соответствии с поставленной целью работы, сформулированы задачи исследований.

В работе [4] было показано, что в условие включения прибора тиристорного типа должны быть введены корректирующие коэффициенты, зависящие от формы начальных распределений зарядов вдоль баз, а также получен вид этих коэффициентов для некоторых частных случаев начальных распределений остаточного заряда, характерных, например, для этапа "накачки" РВД. Было показано, что при начальном распределении остаточного заряда, когда его основная часть сосредоточенна в окрестности коллекторного р-п-перехода. значения коэффициентов эффективности имеют максимальные значения по сравнению с другими возможными начальными распределениями.

В работе [5] был проведен анализ процесса восстановления прямой блокирующей способности тиристорной структуры с начальным избыточным зарядом в п-базе и найдено условие переключения структуры с учетом эффектов, связанных с движение границы области пространственного заряда коллекторного р-п-перехода. Показано, что в этом случае имеет место повышение коэффициентов "эффективности" полного остаточного заряда в п-базе.

В работе [2] предложена теория квазидиодной работы РВД. Она позволяет описать в аналитическом виде зависимости некоторых основных электрических параметров РВД (амплитуды импульса напряжения в цепи накачки, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении) от толщины слаболегированной п-базы и концентрации легирующей примеси в ней. а также от формы и амплитуды плотностей токов, протекающих через прибор в процессах "накачки" и коммутации. Кроме того, она позволяет оценить возможность переключения РВД - критерий реализации квазидиодного режима.

Однако поскольку эта теория рассматривает работу РВД в одномерном приближении, то невозможно установить зависимость основных электрических параметров РВД от размеров диодных и тиристорных секций его полупроводниковой структуры, а так же от характера распределения концентрации легирующей примеси в р-базе, буферном п'-слое и эмиттерных областях. Очевидно, что при рассмотрении работы РВД в одномерном приближении не учитывается неоднородность пространственного распределения концентрации неравновесных носителей заряда между диодными и тиристорными секциями РВД, а так же изменение пространственного распределения концентрации неравновесных носителей заряда в переходных процессах "накачки" и включения РВД. Кроме того, теория не учитывает такие эффекты высокого уровня инжекции как электронно-дырочное рассеяние, Оже-рекомбинация; влияние концентрации легирующей примеси на электрофизические параметры полупроводниковой структуры; области с преимущественно дрейфовым и диффузионным

переносом рассматриваются в предположении резкой границы между ними. В рамках данной теории не возможно учесть влияние природы и характера распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре РВДА в процессе протонного или электронного облучения, на электрические параметры РВД.

Исходя из вышеизложенного, результаты расчета по данной теории основных электрических параметров РВД являются оценочными. Поэтому для расчета основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры, необходимо создание математической модели РВДА, лишенной этих недостатков.

Во второй главе описывается разработанная математическая модель РВДА, проводится выбор моделей физических процессов, входящих в разработанную модель.

Для описания переходных процессов, протекающих при работе РВДА, необходимо определить динамическое распределение концентрации носителей заряда, электростатического потенциала и температуры в его базовых областях. Для этого необходимо совместно решить феноменологическую систему дифференциальных уравнений полупроводника (уравнений непрерывности, плотностей токов, Пуассона), уравнение теплопроводности: У-еУу = -ц(р-п + М[3 - МА),

(Л

ар (1)

сД - V • кУТ = -(У(Р„Т + ф„) 1П + УГ РрТ + фр)1р),

а так же уравнений электрического баланса внешней цепи. Система решается относительно: V)/ - электростатический потенциал, пир- концентрация электронов и дырок (связаны с ф„ и фр - квазипотенциалами Ферми для электронов и дырок), Т - температура.

Уравнения для плотностей токов электронов 1П и дырок 1р:

3„ = -пЧц„(Уфп + РПУТ) Зр = -РЧцр(Уфр + РрУТ), (2)

цп и цр - подвижности электронов и дырок, И. - скорость электронно-дырочной рекомбинации, Р„ и Рр - абсолютные термоэлектродвижущие силы. Физические константы и параметры материала: q - элементарный заряд электрона, е -диэлектрическая проницаемость, N0 и ^ - концентрация ионизированных атомов донорной и акцепторной примеси, к - коэффициент удельной теплопроводности и с - теплоемкость кремния.

Для решения системы дифференциальных уравнений (1) и расчета электрических характеристик РВДА была использована специализированная программа ОЕ5518 18Е-ТСАЭ [3], купленная Мордовским государственным университетом по лицензии -у швейцарской компании 15Е-АС. В данной программе при дискретизации системы дифференциальных уравнений (1)

используется метод конечного объема с экспоненциальной аппроксимацией потенциала, так же известный как метод интегрирования по объему Шарфеттера-Гуммеля [3,6]. Для решения дифференциальных уравнений параболического типа (уравнений непрерывности и теплопроводности) используется .комбинированный метод TR-BDF2 [5,6], который использует . правило трацепий (TR) и формулу обратного дифференцирования второго порядка (BDF2). Для решения нелинейной системы используется модифицированный метод Ньютона, разработанный Bank и Rose [3,6].

Разработанная математическая модель РВДА учитывает следующие физические эффекты:

1) Сужение ширины запрещенной зоны кремния с ростом температу ры [7]

и концентрации легирующей примеси [8]: f

E.(T,N,) = E,(0)-

Ев(0)-

аТ

(Т + р)

ref j

VNrefy

+ 0.5

, (3)

где N,=^+N0. Нсг, Е?(0). а, (3 - константы;

2) Рассеяние носителей заряда на фононах [9] и на заряженных ионах примеси [10]. атак же электронно-дырочное рассеяние [11];

Ип.р ^n,p(T,N;) Heh' ИпР(Т,Ч)=цтш|е N' +

( -]

НпО.рО т ~Hmm2

ч Ио J у

1 +

чСг,

(4)

(5)

Heh:

\3' 2

l0j

л/пр

с f -г 2 >

In 1 + F Т (пР)-,/3

До, J

(6)

где ц„о,ро - подвижность носителей заряда (электронов и дырок) при рассеивании на фононах при температуре Т0=ЗООК, с,, цтш,, цт;„2, Щ- Рс, Сг, С5, а, р, О и Р - константы;

3) Рекомбинацию Шокли-Холл-Рида с временами жизни неравновесных носителей заряда зависящими от концентрации легирующей примеси и температуры [12,13]

/лт

Vp(T-N,) =

Тп0Чзоо;

(7)

ref

где т„о,ро - время жизни неравновесных носителей заряда (электронов и дырок) в исходном кремнии, а. - константы, а так же Оже-рекомбинацию с

зависящими от температуры коэффициентами Оже-рекомбинации [14].

4) При моделировании влияния электронного и протонного облучения, совместно с феноменологической системой дифференциальных уравнений решаются дифференциальные уравнения для вероятности захвата электрона энергетическим уровнем рекомбинационного центра (РЦ). Рассчитывается общая рекомбинация с участием всех РЦ. Кроме того, в уравнении Пуассона учитывается заряд электронов захваченных иа РЦ.

Наиболее важными рекомбинационными центрами, образующимися при облучении кремния, являются дивакансии и А-центры. При облучении потоком высокоэнергетических электронов (когда энергия электронов много выше пороговой энергии дефектообразования) формируется однородный по толщине структуры профиль распределения РЦ [15]. Принято [15], что значения скоростей введения А-центров и дивакансий при облучении .моноэнергетическими электронами с энергией 7 МэВ составляет Na/0=50x10"3 см"1 и Ndb/0=1.1x10"3 см'1, соответственно. Зная дозу облучения Ф по скоростям введения РЦ можно определить концентрацию А-центров NA и дивакансий Ndb-

В рамках настоящей математической модели профиль распределения РЦ при протонном облучении описывается постоянной составляющей и функцией распределения Гаусса. Отношение максимальной (NMaitc) к поверхностной концентрации (Nno.) РЦ выбрано NMaKC/N„oB=10 [15]. Среднеквадратичное отклонение Гауссовского профиля распределения - 10 мкм. Принято [16], что при протонном облучении отношения концентраций А-центров и дивакансий к концентрации первичных радиационных дефектов равны Na/N,=8x10"3 и NWNt=3.5xl0'3, соответственно. Положение максимума РЦ в зависимости от энергии протонов определяется по экспериментальным данным.

Основные характеристики РЦ, вводимых в кремний в процессах электронного или протонного облучения взяты из работы [17].

Для предотвращения поверхностного пробоя производится профилирование края выпрямительного элемента полупроводниковой структуры РВДА (снимается прямая и обратная фаски), при этом диаметр катодного контакта становится меньше диаметра анодного контакта. Была произведена оценка степени влияния неоднородности распределения плотности протекающего тока в плоскостях анодного и катодного контактов на электрические параметры РВДА. На основании сделанных оценок было показано, что при переходе к рассмотрению полупроводниковой структуры РВДА, в которой плотность протекающего тока однородна по площади и площадь которой равна площади катодного контакта, плотность объемного тока и падение напряжения на структуре не изменяются существенным образом. Для практических важных значений параметров полупроводниковой структуры РВДА и тока, проходящего через него, погрешность определения величины падения напряжения не хуже 4%.

На рис. 1 б приведена конструкция элемента полупроводниковой структуры РВДА, которая состоит из нескольких тысяч чередующихся диодных и тиристорных секций. Диодные секции образуются между локальными выходами р-базы на поверхность полупроводниковой структуры

через катодный эмнттерный п+-р-переход (катодные шунты) и локальными п+-"закоротками" анодного эмиттерного р+-п'-перехода (анодные шунты). В настоящее время в производстве силовых полупроводниковых приборов обычно используют. шунты круглой формы регулярно расположенные по вершинам равносторонних треугольников. Поскольку шунты расположены регулярно, а современный уровень производства обеспечивает высокую однородность геометрических и электрофизических параметров структуры 'РВДА по площади его полупроводниковой структуры, то можно считать, что в каждой непосредственно прилегающей к шунту области, ограниченной шестигранником, физические процессы протекают одинаково. Таким образом, можно рассматривать полупроводниковую структуру РВДА в виде множества изолированных элементарных структур гексагональной формы.

Поскольку тангенциальное сопротивление р-базы велико, то распределение концентрации инжектированных носителей заряда по окончанию этапа "накачки" будет резко неоднородным в направлении тиристорных секций. Как показали проведенные исследования, результаты которых приведены в следующей главе, уже на расстоянии в несколько сотен микрон от краев диодных секций концентрация инжектированных носителей заряда уменьшается в сотню раз. Очевидно, что в этом случае первоначальное включение РВДА будет происходить в узкой области расположенной близко к диодным секциям, в которой величина накопленного заряда будет превышать критический заряд включения. Из-за небольших размеров элементарной структуры время ее полного включения мало, порядка нескольких микросекунд, при этом процесс включения периферийных областей элементарной структуры соответствует минимуму зависимости падения напряжения от времени при включении РВДА (рис. 4) и не влияет на значения определяемых по этой зависимости параметров.

Кроме того, в полностью включенной полупроводниковой структуре плотность протекающего тока однородна по площади, за исключением небольшой области окружающей каждый шунт, то есть вблизи периферийной области элементарной ячейки плотность протекающего тока можно считать однородной.

Поэтому можно перейти к рассмотрению элементарной структуры цилиндрической формы с шунтами расположенными в центрах катодного и анодного эмиттерных переходов (рис. 2), моделирование которой возможно в радиально-симметричном приближении.

Для того, что бы площадь элементарной структуры цилиндрической формы была равна площади структуры гексагональной формы радиус г0 такой элементарной структуры (рис. 2) по аналогии с работой [18] рассчитывается по формуле:

где (ш - расстояние между шунтами катодного, анодного эмиттерных переходов, при их симметричном расположении. В работе [18] данное приближение использовалось при расчете с!и/си-стойкости и времени

(8)

выключения Ц тиристорных структур. На рис. 2 обозначены: г* - радиус катодного шунта, г^ - радиус анодного шунта, XV - толщина полупроводниковой структуры РВДА.

Рис. 2. Элементарная структура РВДА

Принимается, что анодный и катодный контакты к структуре являются омическими, то есть для носителей заряда на границе полупроводниковой структуры выполняются условия термодинамического равновесия и электронейтральности. Для анодной и катодной контактной поверхности, являющимися так же теплопроводящими границами раздела, используется краевое условие Неймана, и задается значение теплового сопротивления переход-корпус. Поскольку элементарные структуры изолированы между собой, то потоки носителей заряда, напряженности электрического поля и температуры через боковые границы элементарной структуры равны нулю.

Экспериментальные исследования РВД показывают, что импеданс данных приборов ниже импеданса внешних цепей, ю есть режим работы прибора задается внешней схемой. Это утверждение также удовлетворяет критерию реализации квазидиодной работы РВД [2]. Поэтому расчет процессов "накачки'' и коммутации импульса прямого тока производился по схеме последовательного включения РВДА с генератором тока синусоидальной формы 1к и 1р (рис. 3 а и б), соответственно.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Электрические схемы для расчета процессов: а) "накачки", б) коммутации импульса прямого тока, в) выключения, г) приложения "зондирующего" импульса напряжения

Процесс выключения РВДА рассчитывался для режима разрыва цепи (без приложения обратного напряжения). Обычно, в реальных схемах последовательно с РВД включается быстродействующий диод. Диод служит

для отсекания обратной полуволны тока от емкостного накопителя в силовой цепи. Для этого случая процесс выключения рассчитывался по схеме представленной на рис. 3 в.

Для определения Ц к структуре прикладывается зондирующий импульс напряжения. Этот процесс моделировался по схеме представленной на рис. 3 г. Время выключения Ц оценивается как минимальный интервал времени между моментом окончания импульса прямого тока и моментом приложения зондирующего импульса напряжения, который не вызывал бы повторного включения структуры.

В третьей главе с помощью разработанной модели проводится исследование влияния геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА на основные электрические параметры РВДА.

Проводилось численное моделирование полупроводниковой структуры РВДА с диаметром выпрямительного элемента 24 мм, рассчитанной на допустимое напряжение в закрытом состоянии 1800 В. В процессе моделирования использовались следующие параметры источников тока (рис. 3 а и б): - источник синусоидального тока с амплитудой 1ясям=300 А и полупериодом 1К=2 мкс; 1Р - источник синусоидального тока с амплитудой 1тям= 15 ООО А и полупериодом ^=30 мкс. Для определения Ц к структуре прикладывается зондирующий импульс напряжения амплитудой 1!о=500 В со временем нарастания 2 мкс. Данные параметры соответствуют реальным значениям, имеющим место при испытаниях опытных образцов РВД с таким же диаметром выпрямительного элемента.

Типичная зависимость тока через РВДА и напряжения на нем от времени рассчитанные для переходных процессов "накачки" и коммутации импульса

Рис. 4. Расчетная зависимость тока через РВДА (сплошная кривая) и напряжения на нем (штриховая кривая) от времени 15

На рисунке указаны оцениваемые по данным зависимостям основные электрические параметры РВДА.

С целью исследования влияния геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА на его основные электрические параметры проводился расчет зависимости основных электрических параметров прибора от некоторых геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА, в частности от толщины слаболегированной п-базы, характера распределения концентрации легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного п'-слоя. В результате расчетов были установлены оптимальные значения толщины слаболегированной п-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного п'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения - при заданном значении допустимого напряжения в закрытом состоянии.

Поскольку модель РВДА реализована в квазитрехмерном радиально-симметричном приближении, она позволяет учесть такие неодномерные процессы, как: "накопление" заряда при "накачке", включение тиристорной структуры и т.д. На рис. 5 представлены результаты расчета распределения концентрации электронно-дырочной плазмы в структуре на момент времени окончания процесса "накачки". Видно, что средняя концентрация электронно-дырочной плазмы под тиристорными секциями РВДА ниже на два порядка, чем под диодными. Это приводит к первоначальному включению структуры в небольшой области близко расположенной к диодным секциям, в которой достигается критический заряд включения, что показано на рис. 6. Как следует из того же рисунка распределение плотности тока в периферийной области полностью включенной элементарной структуры однородно, что подтверждает сделанные во второй главе приближения.

Рис. 5. Распределение электронно-дырочной плазмы в моделируемой структуре на окончание процесса накачки.

Рис. 6. Распределение плотности тока вдоль моделируемой структуры на моменты времени измерения параметров 1!тм и ит.

Были рассчитаны зависимости параметров ит, иТм и Ц от размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА (для исследуемой элементарной структуры с радиусом Го. рис. 2, это зависимости от радиусов катодного и анодного шунтов, г* и г^, соответственно) представленные на рис. 7. Согласно этим данным при увеличении размеров катодных шунтов скорость снижения значения времени выключения в 2 раза выше, чем при таком же увеличении размеров анодных шунтов. Кроме того, при увеличении размеров катодных и анодных шунтов увеличиваются значения параметров итм, От, что необходимо учитывать при проектировании РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника).

Рис. 7. Зависимости ит, 1!тм и Ц от:

а) радиуса катодного шунта г^, при г^ =200 мкм, г0=525 мкм,

б) радиуса анодного шунта г®, при г^ = 125 мкм, Го=525 мкм.

Кроме того, как видно из рис. 7, увеличение размеров шунтов с меньшим радиусом приводит к незначительному росту значений параметров 1_!т и иТм, при этом сильно снижается значение Ц, если же увеличивать размеры шунтов с

большим радиусом, то это приводит к резкому росту значений 11т и итм (указано стрелками). Очевидно, что наилучшее сочетание параметров и-г, и™ и Ц достигается, если размеры анодных-и катодных шунтов одинаковы.

По результатам выполненных расчетов были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы . РВДА соответствующие рассчитанным оптимальным геометрическим и электрофизическим параметрам полупроводниковой структуры. Профили распределения концентрации легирующей примеси в тиристорных и диодных секциях разработанного прибора представлены на рис. 8 а и б, соответственно.

Рис. 8. Профили распределения концентрации легирующей примеси в моделируемой элементарной структуре (а. в диодных секциях, б. в тиристорных секциях).

Полученные приборы были облучены электронами и протонами для исследования влияния природы и характера распределения концентрации рекомбинационных дефектов на основные электрические параметры РВДА. Пунктиром на рис. 8 показано положение максимумов распределения радиационных дефектов при облучении протонами с энергией 4 МэВ со стороны анода или катода.

Было испытано 56 экспериментальных образцов РВДА, которые до и после облучения обладали электрическими параметрами, представленными в табл. 1. В таблице указаны: значения параметров, рассчитанных по разработанной модели; диапазон изменения измеренных значений экспериментальных параметров; среднеарифметические значения измеренных параметров; )

отклонение расчетных параметров относительно среднеарифметических значений измеренных параметров. Значение параметра иКС[ш практически не меняется после облучения. Для необлученных структур среднеарифметическое значение параметра и^им равно И ,2 В, что согласуется с рассчитанным значением 11,18 В.

Сопоставление расчетных и экспериментальных средних значений ■ параметров и?, и™ и Ц для различных значений доз электронного и протонного облучения показало, что они хорошо совпадают, с максимальным отклонением 9,1% (табл. 1), что позволяет судить о достоверности разработанной модели РВДА.

Табл. 1

Сравнение расчетных и экспериментальных данных

Типобл Доза, "тм.В ит,в Ч, МКС

см"' Расч Эскп Ср Опсл Расч Эскп Ср Откл. Расч Эскп. Ср Откл

Безобл - 8,06 8-10 8,57 6,0 7,77 7,5-8.0 7,82 0,6 49 46-58 53,7 8,8

Элеет рон 11.13 10-14 11,83 5,9 8,41 8,0-8,5 8,33 0,9 17 16-22 18,5 8,1

12-10" 19,49 18-27 20,83 6,4 8,98 8,5-9,5 9,00 0,2 10 7-12 9,17 9,1

18 10" 60,18 50-65 57,00 5,6 9,59 9,5-10,0 9,70 1.1 6 6-8 6,6 9,1

Прот. катод 3-10'° 11,47 10-14 12,29 6,6 8,41 8,0-9,0 8,57 1,9 16 15-20 17,14 6,7

6-10'° 18,15 16-22 17,88 1,5 8,92 8,5-9,5 8,88 0,5 11 10-16 11,63 5,4

12-10'° 30,26 25-35 31,00 2,4 9,41 9,0-10,0 9,30 1,2 10 10-12 10,80 7,4

Прот анод 3-Ю10 11,02 10-12 11,00 0,2 8,68 8,5-9,0 8,75 0,8 17 14-21 18,50 8,1

610'° 20,28 19-23 21,00 3,4 9,50 9,5-10,0 9,86 3,6 13 11-15 12.43 4,6

12-10"" 42,28 40-45 43,33 2,4 10,35 9,5-11,0 10,08 2,6 И 10-14 11,83 7,0

Были построены расчетные зависимости основных электрических параметров РВДА (11т, и-гМ> Ц) от дозы электронного и протонного облучения. Сравнение зависимостей и-г=/(Ц) и иТм=/(Ц), построенных на основе этих данных, показало, что, для выбранной энергии 4 МэВ протонного облучения (положение максимумов распределения радиационных дефектов изображено на рис. 8), при равном времени выключения приборы, облученные электронами, обладают меньшими значениями ит и 1!тм- Это обусловлено тем, что в РВДА, облученных протонами, в процессе выключения полупроводниковой структуры в слаболегированной п-базе остается значительный остаточный заряд, который сосредотачивается в области с малой концентрацией рекомбинационных центров (с малой скоростью рекомбинации), что приводит к увеличению времени выключения таких структур. Поэтому критический заряд включения структур, облученных протонами, остается достаточно низким и для достижения малых значений времен выключения соответственно увеличивается доза протонного облучения, что приводит к росту значений электрических параметров 1Лт и 1)тм таких структур по сравнению со структурами облученными электронами.

Заключение. Исследования, проведенные при выполнении диссертационной работы, позволяют считать возможным применение разработанной математической модели для расчета и оптимизации конструкции и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА. При этом получены следующие основные результаты:

1. Разработана квазитрехмерная математическая модель РВДА в радиально-симметричном приближении описывающая реальную полупроводниковую структуру в виде множества повторяющихся элементарных структур цилиндрической формы. Модель учитывает: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы;

2. Исследования распределения концентрации неравновесных носителей заряда в диодных и тиристорных секциях полупроводниковой структуры РВДА при его работе, проведенные с помощью разработанной модели, показали, что на заключительном этапе "накачки" это распределение сильно неоднородно в поперечном направлении;

3. С помощью разработанной модели получены расчетные зависимости основных электрических параметров РВДА от размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА, показавшие, что наилучшее сочетание электрических параметров прибора достигается при одинаковых размерах анодного и катодного шунтов. Установлено, что при увеличении размеров анодных и катодных шунтов увеличиваются значения амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, установившегося напряжения в открытом состоянии и снижается время выключения, что необходимо учитывать при проектировании РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника);

4. С помощью разработанной модели получены расчетные зависимости основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры. В результате расчетов были установлены оптимальные значения толщины слаболегированной n-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного п'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения - для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

5. Установлено влияние протонного и электронного облучения на основные электрические параметры РВДА показавшее, что повышение дозы облучения приводит к увеличению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к уменьшению времени выключения РВДА. Значения рассчитанных электрических параметров РВДА для различных значений доз электронного и протонного облучения хорошо совпадают с экспериментальными усредненными значениями, с максимальным отклонением 9%.

Список цитированной литературы:

[1] A.C. 1003699, Н 01 L 29/743. Способ переключения тиристора с обратной проводимостью / Горбатюк A.B., Грехов И.В., Короткое С.В., Яковчук Н.С. -№1003699; Заявлено 20.02.81; Опубл.-23.10.83.

[2] Теория квазидиодного режима работы реверсивно-включаемых динисторов // A.B. Горбатюк, И.В. Грехов, A.B. Наливкин, Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР, № 1071. - 1986, 22 с.

[3] DESSIS User's Manual, ISE-TCAD 7.0, ISE-AG Inc., 2000.

[4] Аязян Р.Э., Горбатюк А.В., Панамарчук А.И. Условие включения р-п-р-п- структуры при различных распределениях начального заряда вдоль баз // Радиотехника и электроника. - 1978.-№5. С. 1040-1045.

[5] Горбатюк А.В., Павлынив Я.И., Панамарчук А.И., Попова М.В. Восстановление прямой блокирующей способности р-п-р-п-структуры с остаточной плазмой в слаболегированной области. // Радиотехника и электроника. - 1984. - №10. С. 2014-2021.

[6] R. Е. Bank, D. J. Rose, W. Fichtner Numerical Methods for Semiconductor Device Simulation // IEEE Trans. Electr. Dev. - 1983. - Vol. ED-30. P. 1031-1041.

[7] Y. Okuto, C. R. Crowell Threshold energy effects on avalanche breakdown voltage in semiconductor junctions // Solid-State Electronics. - 1975. - Vol. 18. P. 161-168.

[8] D. В. M. Klaassen, J. W. Slotboom, H. C. de Graaff Unified apparent bandgap narrowing in n- and p-type Silicon // Solid-State Electronics. - 1992. - Vol. 35. №2. P. 125-129.

[9] C. Lombardi, S. Manzini, A. Saporito, M. Vanzi A Physically Based Mobility Model for Numerical Simulation of Nonplanar Devices // IEEE Trans, on CAD. - 1988. - Vol. 7. № 11. P. 1164-1171.

[10] G. Masetti, M. Severi, S. Solmi Modeling of carrier mobility against carrier concentration in Arsenic-, Phosphorus- and Boron-doped Silicon // IEEE Trans, on Electron Devices. - 1983. - Vol. ED-30. P. 764-769.

[11] S. C. Choo Theory of a Forward-Biased Diffused-Junction P-L-N Rectifier. Part I: Exact Numerical Solutions // IEEETrans.on Electron Devices. - 1972. - Vol. ED-19. №. 8. P. 954-966.

[12] J. G. Fossum, R. P. Mertens, D. S. Lee, J. F. Nijs Carrier recombination and lifetime in highly doped Silicon // Solid-State Electronics. - 1983. - Vol. 26. № 6. P. 569-576.

[13] M. S. Tyagi, R. van Overstraeten Minority carrier recombination in heavily-doped Silicon // Solid-State Electronics. - 1983. - Vol. 26. № 6. P. 577-597.

[14] L. Huldt, N. G. Nilsson, K. G. Svantesson The temperature dependence of band-to-band Auger recombination in silicon // Appl. Phys. Letters. - 1979. - Vol. 35. № 10. P. 776.

[15] Гейфман E. M., Чибиркин В.В. Разработка методов контролируемого регулирования времени жизни неравновесных носителей заряда в силовых полупроводниковых приборах. Научное издание // Саранск: Изд-во Мордов. унта. - 2000. 20 с.

[16] Hazdra P., Brand К., Vobeckv J. Defect distribution in MeV proton irradiated silicon measured by high-voltage current transient spectroscopy // Nucl. Instr. and Mech. in Phys. Res. - 2002. - В 192. pp. 291-300.

[17] Siemieniec R., Schupanski D.. Sudkamp W. Lutz J. Simulation and experimental results of irradiated power diodes // Proceedings of the EPE'99 Lausanne. - 1999. P. 138-143.

[18] Дерменжи П.Г., Кузьмин B.A., Крюкова H.H. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1980. 184 с.

Список публикаций по теме диссертации

1. Чибиркин В.В., Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Моделирование-влияния электронного и протонного облучения на параметры реверсивно-включаемых динисторов асимметричных // Саранск, Средневолжское математическое общество, 2003, препринт № 55. 20 с.

2. Гейфман Е.М., Чибиркин В.В., Елисеев В.В., Шувалов Д.С. Моделирование влияния электронного облучения на параметры реверсивно-включаемых динисторов асимметричных // Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и энергоэффективность''. Часть 1. -Киев, 2003. С. 31-32.

3. Чибиркин В.В., Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Математическая модель реверсивно-включаемого динистора асимметричного // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тез. докл. IV Межд. научно-техн. конф., Саранск, 16-18 сентября 2003 г. - Мордов. гос. пед. ин-т. - Саранск. 2003. С. 112.

4. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Грехов И.В., Дрондина В.П., Казакова Г.Д., Короткое C.B., Шувалов Д.С. Реверсивно-включаемые динисторы ассимметричные // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тез. докл. III Межд. научно-техн. конф., Саранск, 6-8 июня 2001 г. - Мордов. гос. пед. ин-т. - Саранск, 2001. С. 138.

5. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Короткое C.B., Костина JI.C., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Разработка и экспериментальные исследования асимметричных реверсивно-включаемых динисторов // Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: Сб. тез. докл. VI симпоз. Электротехника 2010, Моск. обл., 2225 октября 2001 г. С. 107-108.

6. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Короткое C.B.. Костина Л.С., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Разработка и экспериментальные исследования асимметричных реверсивно-включаемых динисторов // Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: Сб. докладов VI симпоз. Электротехника 2010: Разделы 5, 6, 7. Т. III., Моск. обл., 22-25 октября 2001 г. С. 25-27.

~ 7. Гейфман Е.М., Грехов И.В., Герман А.Е., Короткое C.B., Костина Л.С., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Асимметричный реверсивно-включаемый динистор - новый прибор для силовой импульсной и преобразовательной техники // Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и энергоэффективность". Часть 3. - Киев, 2002. С. 11-14.

8. Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Разработка и изготовление нового прибора силовой электроники - реверсивно-включаемого динистора асимметричного // XXXI Огаревские чтения: Материалы научной конф.: В 3 ч. Ч.З: Технические науки - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2003. С. 73-79.

Подписано в печать 18.10.03. Объем 1,10 п. л. Тираж 100 Заказ № 162.

Отпечатано в ОТД ОАО «Электровыпрямитель» 430001 Саранск, ул. Пролетарская, 126

18а 4 S * 1 8 О 4 а

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Шувалов, Денис Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА 14 ЗАДАЧИ

1.1. Анализ методов расчета и моделирования реверсивно- 14 включаемых динисторов

1.1.1. Конструкция и физические основы работы реверсивно- 14 включаемого динистора

1.1.2. Асимметричный реверсивно-включаемый динистор

1.1.3. Теория квазидиодной работы реверсивно-включаемого 18 динистора

1.2. Анализ современного состояния математического 20 моделирования полупроводниковых приборов

1.3. Основные уравнения для моделирования силовых 22 полупроводниковых приборов

1.3.1. Феноменологическая система дифференциальных уравнений 23 полупроводника

1.3.2. Квазипотенциалы Ферми

1.3.3. Сужение ширины запрещенной зоны

1.3.4. Подвижность носителей заряда

1.3.5. Рекомбинация носителей заряда

1.3.6. Лавинная генерация носителей заряда

1.3.7. Тепловые свойства кремния

1.4. Выводы и постановка задачи

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 36 АСИММЕТРИЧНОГО РЕВЕРСИВНО-ВКЛЮЧАЕМОГО ДИНИСТОРА

2.1. Конструкция моделируемой структуры

2.1.1. Учет краевого профиля

2.1.2. Элементарная структура реверсивно-включаемого динистора

2.2. Профили распределения концентрации легирующей примеси

2.3. Рекомбинационные центры, создаваемые в процессе 51 электронного и протонного облучения

2.4. Учет влияния внешней цепи на работу асимметричного 56 реверсивно-включаемого динистора

2.5. Основные уравнения математической модели 58 асимметричного реверсивно-включаемого динистора

2.6. Краевые условия

2.7. Начальные условия

2.8. Выводы

ГЛАВА III. АПРОБАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 65 АСИММЕТРИЧНОГО РЕВЕРСИВНО-ВКЛЮЧАЕМОГО ДИНИСТОРА

3.1. Оптимизация конструкции асимметричного реверсивно- 65 включаемого динистора

3.2. Исследование переходных процессов коммутации тока 77 асимметричным реверсивно-включаемым динистором

3.3. Сравнение расчета с экспериментом

3.3. Моделирование влияния облучения на основные 86 электрические параметры асимметричных реверсивно-включаемых динисторов

3.4. Выводы 94 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 101 ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение 2003 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Шувалов, Денис Сергеевич

Актуальность темы. Большие и постоянно возрастающие масштабы преобразования электрической энергии в современных устройствах силовой электроники, применяемых в радиотехнике, лазерной, ускорительной, локационной технике, термоядерной энергетике, а так же в силовой полупроводниковой преобразовательной технике, обуславливают необходимость в повышении величины коммутируемой мощности и скорости ее коммутации (коммутационных и частотных характеристик) единичным полупроводниковым прибором. Одним из приборов для решения данной задачи является реверсивно-включаемый динистор (РВД), работающий на основе принципа реверсивно-инжекционного управления [115]. Уникальные коммутационные характеристики этих приборов объясняются возможностью их одновременного и практически однородного включения по всей рабочей площади. Первоначально РВД был создан для импульсной техники, однако малые коммутационные потери, большая перегрузочная способность и устойчивость к быстронарастающим импульсам анодного тока делают этот прибор перспективным для использования в преобразовательной технике, особенно в области больших мощностей и повышенных частот.

Рис. 1. Конструкция реверсивно-включаемого динистора а) традиционная б) "асимметричная"

Поскольку РВД принципиально не обладает обратной блокирующей способностью, то для того, чтобы улучшить его электрические параметры, в полупроводниковую структуру РВД вводится дополнительный буферный слой для ограничения распространения области пространственного заряда. Аналогичный прием используется при изготовлении асимметричных тиристоров. По аналогии с асимметричными тиристорами, полученная конструкция получила название "асимметричный" РВД (РВДА) — рис. 1 б. Однако, из-за сложности проектирования приборов такой конструкции и технологического процесса их изготовления, до настоящего времени не удавалось разработать и изготовить РВДА с приемлемым сочетанием и воспроизводимостью электрических параметров. В частности, по причине того, что известные математические модели являются приближенными и не позволяют рассчитать оптимальные геометрические и электрофизические параметры полупроводниковой структуры таких приборов.

В [8-10] разработана теория квазидиодной работы РВД, которая позволяет описать в аналитическом виде зависимости лишь некоторых из основных электрических параметров РВД1: амплитуды импульса напряжения в цепи накачки, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении - от толщины слаболегированной n-базы и концентрации легирующей примеси в ней, а также от формы и амплитуды плотностей токов, протекающих через прибор в процессах "накачки" и коммутации. Однако в этой теории используется одномерное приближение, то есть не учитывается влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в базовых и эмиттерных областях полупроводниковой структуры. Кроме того, не учитываются эффекты высокого уровня инжекции, имеющие место при работе РВД, (электронно-дырочное рассеяние и Оже-рекомбинация), влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, подвижность и время жизни неравновесных носителей заряда, неоднородное по объему распределение температуры. В последнее время, для регулирования электрических параметров силовых полупроводниковых приборов (СГГП) широко используются электронное и протонное облучение, которые также не рассматриваются в рамках теории квазидиодной работы РВД. Поэтому результаты данной работы следует считать оценочными.

1 Под основными электрическими параметрами РВД и РВДА (рис. 1.3) подразумеваются: Udrm - допустимое импульсное напряжение в закрытом состоянии, Urcrm - амплитуда импульса напряжения в цепи накачки, Ujm - амплитуда пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, Ut - установившееся напряжение в открытом состоянии, tq - время выключения.

Целью работы является разработка неодномерной математической модели РВДА учитывающей: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на электрофизические параметры полупроводниковой структуры; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы.

Для решения поставленной цели необходимо:

1. Разработать вышеуказанную математическую модель для расчета основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры;

2. Исследовать с помощью разработанной модели влияние геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА на основные электрические параметры РВДА;

3. Исследовать с помощью разработанной модели влияние размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА на основные электрические параметры РВДА;

4. Исследовать с помощью разработанной модели переходные процессы "накачки", коммутации импульса прямого тока и выключения РВДА;

5. Исследовать с помощью разработанной модели влияние природы и характера распределения концентрации рекомбинационных центров, образующихся в процессе электронного или протонного облучения, на основные электрические параметры РВДА.

Методы исследования. Проводится расчет основных электрических параметров РВДА по заданным геометрическим и электрофизическим параметрам его полупроводниковой структуры численными методами с использованием возможностей программы DESSIS (ISE-TCAD) [27].

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

2. Исследовано влияние геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА на его основные электрические параметры. В частности показано, что уменьшение поверхностной концентрации легирующей примеси алюминия в базовом р-слое коллекторного р-п-перехода при заданной толщине слаболегированной n-базы приводит к уменьшению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к увеличению значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

3. Исследовано влияние размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА на его основные электрические параметры. Показано, что наилучшее сочетание электрических параметров прибора достигается при одинаковых размерах анодного и катодного шунтов. Установлено, что при увеличении размеров анодных и катодных шунтов увеличиваются значения амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, установившегося напряжения в открытом состоянии и снижается время выключения, что необходимо учитывать при проектировании РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника);

Практическая ценность и реализация результатов.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ней разработана и апробирована на практике для решения задач проектирования математическая модель асимметричного реверсивно-включаемого динистора. Значения основных электрических параметров, рассчитанных по разработанной модели РВДА, соответствуют средним значениям экспериментальных данных с максимальным отклонением 9 %.

Данная модель позволила получить:

В рамках данной работы проведена оптимизация конструкции полупроводниковой структуры РВДА, в частности выбраны оптимальные значения толщины слаболегированной n-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного n'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения — для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии. Впервые изготовлены асимметричные реверсивно-включаемые динисторы, обладающие уникальными параметрами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Фундаментальные и прикладные проблемы физики" (Саранск, 2001 и 2003 г.г.) и "Силовая электроника и энергоэффективность" (Харьков, 2002 и 2003 г.г.), Международном симпозиуме "Электротехника 2010" (Москва, 2001 г.), на научной конференции "Огаревские чтения" (Саранск, 2001 и 2002 г.г.), на научных семинарах Средневолжского математического общества под руководством профессора Воскресенского Е.В. (Саранск, 2002 г.) и на заседаниях кафедры микроэлектроники Факультета Электронной Техники в Мордовском государственном университете имени Н.П. Огарева (Саранск, 2001, 2002 и 2003 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях.

В первой главе приведен обзор методов и дан анализ современного состоянии моделирования СПП. Рассматриваются способы математического описания работы РВД. Исходя из анализа этих данных, в соответствии с поставленной целью работы, сформулированы задачи исследований.

Во второй главе описывается разработанная математическая модель РВДА, а так же обосновываются приближения, сделанные при ее разработке. Проводится выбор моделей физических процессов, входящих в разработанную модель.

В третьей главе с помощью разработанной модели проводится исследование влияния геометрических и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА, а так же влияния электронного и протонного облучения на основные электрические параметры приборов. Результаты расчетов сравниваются с данными экспериментов.

В заключительной части изложены основные результаты и выводы работы.

Автор защищает:

1. Квазитрехмерную математическую модель РВДА в радиально-симметричном приближении описывающую реальную полупроводниковую структуру в виде множества повторяющихся элементарных структур цилиндрической формы. Модель учитывает: влияние размеров диодных и тиристорных секций, а так же распределение концентрации легирующей примеси в них; эффекты высокого уровня инжекции; влияние концентрации легирующей примеси на ширину запрещенной зоны полупроводника, время жизни и подвижность носителей заряда; природу и характер распределения рекомбинационных центров, образующихся в полупроводниковой структуре в процессе электронного или протонного облучения; условия работы РВДА в составе электрической схемы;

2. Результаты исследования, полученные с помощью разработанной модели, распределения концентрации неравновесных носителей заряда в диодных и тиристорных секциях полупроводниковой структуры РВДА при его работе, показавшие, что на заключительном этапе "накачки" это распределение сильно неоднородно в направлении тиристорных секций;

3. Результаты расчета, полученные с помощью разработанной модели, зависимостей основных электрических параметров РВДА от размеров диодных и тиристорных секций полупроводниковой структуры РВДА, показавшие, что наилучшее сочетание электрических параметров прибора достигается при одинаковых размерах анодного и катодного шунтов. Установлено, что при увеличении размеров анодных и катодных шунтов увеличиваются значения амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении, установившегося напряжения в открытом состоянии и снижается время выключения, что необходимо учитывать при проектировании РВДА в зависимости от области их использования (импульсная или преобразовательная техника).

4. Результаты расчета, полученные с помощью разработанной модели, зависимостей основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры. В частности показано, что уменьшение поверхностной концентрации легирующей примеси алюминия в базовом р-слое коллекторного р-п-перехода при заданной толщине слаболегированной n-базы приводит к уменьшению значений установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и к увеличению значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии. В результате расчетов были установлены оптимальные значения толщины слаболегированной n-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного п'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения - для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники факультета электронной техники Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева.

Заключение диссертация на тему "Математическое моделирование асимметричных реверсивно-включаемых динисторов"

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Чибиркин В.В., Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Моделирование влияния электронного и протонного облучения на параметры реверсивно-включаемых динисторов асимметричных // Саранск, Средневолжское математическое общество, 2003, препринт № 55. 20 с.

3. Чибиркин В.В., Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Математическая модель реверсивно-включаемого динистора асимметричного // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тез. докл. IV Межд. научно-техн. конф., Саранск, 16-18 сентября 2003 г. — Мордов. гос. пед. ин-т. — Саранск, 2003. С. 112.

4. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Грехов И.В., Дрондина В.П., Казакова Г.Д., Коротков С.В., Шувалов Д.С. Реверсивно-включаемые динисторы ассимметричные // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тез. докл. III Межд. научно-техн. конф., Саранск, 6-8 июня 2001 г. - Мордов. гос. пед. ин-т. - Саранск, 2001. С. 138.

5. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Коротков С.В., Костина Л.С., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Разработка и экспериментальные исследования асимметричных реверсивно-включаемых динисторов // Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: Сб. тез. докл. VI симпоз. Электротехника 2010, Моск. обл., 22-25 октября 2001 г. С. 107-108.

6. Гейфман Е.М., Герман А.Е., Коротков С.В., Костина Л.С., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Разработка и экспериментальные исследования асимметричных реверсивно-включаемых динисторов // Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: Сб. докладов VI симпоз. Электротехника 2010: Разделы 5, 6, 7. Т. III., Моск. обл., 22-25 октября 2001 г. С. 25-27.

7. Гейфман Е.М., Грехов И.В., Герман А.Е., Коротков С.В., Костина Л.С., Рольник И.А., Чибиркин В.В., Шувалов Д.С. Асимметричный реверсивно-включаемый динистор - новый прибор для силовой импульсной и преобразовательной техники // Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и энергоэффективность". Часть 3. - Киев, 2002. С. 11-14.

8. Гейфман Е.М., Шувалов Д.С. Разработка и изготовление нового прибора силовой электроники — реверсивно-включаемого динистора асимметричного // XXXI Огаревские чтения: Материалы научной конф.: В 3 ч. Ч.З: Технические науки - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2003. С. 73-79.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные при выполнении диссертационной работы, позволяют считать возможным применение разработанной математической модели для расчета и оптимизации конструкции и электрофизических параметров полупроводниковой структуры РВДА. При этом получены следующие основные результаты:

4. С помощью разработанной модели получены расчетные зависимости основных электрических параметров РВДА от геометрических и электрофизических параметров его полупроводниковой структуры. В результате расчетов были установлены оптимальные значения толщины слаболегированной n-базы, глубин и поверхностных концентраций легирующей примеси в диффузионных слоях коллекторного р-слоя и буферного n'-слоя, при которых достигается наилучшее сочетание электрических параметров: установившегося напряжения в открытом состоянии, амплитуды пика прямого напряжения в открытом состоянии при включении и времени выключения - для заданного значения допустимого импульсного напряжения в закрытом состоянии;

Библиография Шувалов, Денис Сергеевич, диссертация по теме Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1. А.С. 1003699, Н 01 L 29/743. Способ переключения тиристора с обратной проводимостью / Горбатюк А.В., Грехов И.В., Коротков С.В., Яков-чук Н.С. №1003699; Заявлено 20.02.81; Опубл. 23.10.83.

2. Грехов И.В. О новых методах коммутации больших мощностей в на-носекундном и субнаносекундном диапазонах // Вестник АН. — 1981. — №6. С. 18-25.

3. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Коротков С.В., Костина Л.С., Яковчук Н.С. О новой возможности быстрой коммутации больших мощностей силовыми полупроводниковыми приборами // ЖТФ. — 1982. — Т. 52. №7. С. 1369-1374.

4. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Коротков С.В., Костина Л.С., Яковчук Н.С. О новой возможности быстрой коммутации больших мощностей приборами тиристорного типа// Письма в ЖТФ. — 1982. — Т. 8. №11. — С. 685-688.

5. Грехов И.В., Горбатюк А.В., Костина Л.С., Коротков С.В. Яковчук Н.С. Мощный переключатель микросекундного диапазона реверсивно-включаемый динистор //ЖТФ. - 1983. - Т. 53. №9. С. 1822-1826.

6. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Коротков С.В. Двухступенчатый импульсный запуск мощных динисторных переключателей // Электротехника. -1984.-№11. С. 42-45.

7. Грехов И.В., Коротков С.В., Костина Л.С. Мощный реверсивно включаемый динистор субмегагерцового диапазона // Письма в ЖТФ. 1985. — Т. 11. №10. С. 588-591.

8. Теория квазидиодного режима работы реверсивно-включаемых дини-сторов // А.В. Горбатюк, И.В. Грехов, А.В. Наливкин, Препринт № 1071. -1986. 22 с.

9. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами //Л.: Наука. 1988. 117 с.

10. A.V. Gorbatyuk, I.V. Grekhov, A.V. Nalivkin Theory of quasi-diode operation of reversely switched dinistors. // Solid-State Electronics. 1988. - Vol. 31. No. 10. P. 1483-1491.

11. Грехов И.В., Козлов A.K., Короткое C.B., Костина JI.C., Яковчук Н.С. Высокочастотные реверсивно-включаемые динисторы // Электротехника. — 1988.-№5. С. 10-12.

12. Гудушкин И.В., Кудрявцев И.Ю., Коротков С.В., Сырников Э.В., То-полов В.В. Генерирование непрерывных гармонических колебаний высокой частоты с помощью реверсивно-включаемых динисторов // Электротехника. 1988.-№5. С. 28-30.

13. Авксентьев В.А., Грехов И.В., Еленский В.А., Мартыненко В.А., Тун-дыков С.А., Чумаков Г.Д. Влияние плотности анодной шунтировки на параметры реверсивно-включаемого динистора // Электротехника. — 1988. — №5. С. 35-38.

14. Грехов И.В. Проблемы и возможности силовой полупроводниковой преобразовательной техники на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) // Известия АН, сер. Энергетика. 1995. - №5. С. 73-80.

15. Грехов И.В., Козлов А.К., Коротков С.В., Костина Л.С., Андреев А.Г., Еремин И.В. Быстродействующий реверсивно-включаемый динистор для мощной импульсной и преобразовательной техники // Известия АН, сер. Энергетика. 1996. -№4. С. 106-113.

16. Уваров А.И. Критический заряд включения тиристора. В сб.: Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов // Л.: Наука, 1969, С. 151-161.

17. Уваров А.И. Условие включения тиристора посредством кратковременных токов управления // В сб.: Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов. Л.: Наука, 1969, С. 194-201.

18. Аязян Р.Э., Горбатюк А.В., Панамарчук А.И. Условие включения р-п-р-n- структуры при различных распределениях начального заряда вдоль баз // Радиотехника и электроника. 1978. - №5. С. 1040-1045.

19. Горбатюк А.В., Павлынив Я.И., Панамарчук А.И., Попова М.В. Восстановление прямой блокирующей способности р-п-р-п-структуры с остаточной плазмой в слаболегированной области. // Радиотехника и электроника. 1984. - № 10. С. 2014-2021.

20. Волна термогенерации плазмы в кремнии при нестационарном разогреве токами двойной инжекции // А.В. Горбатюк, И.Е. Панайотти, Препринт №1171.- 1987. 56 с.

21. Горбатюк А.В., Панайотти И.Е. Динамический перегрев реверсивно-включаемых динисторов // ЖТФ. 1990. - Т. 60. №5. С. 129-135.

22. Горбатюк А.В., Панайотти И.Е. Термогенерационный пробой канала двойной инжекции в полупроводниковой структуре // ЖТФ. 1991. - Т. 61. №6. С. 83-92.

23. ISE-TCAD 7.0 User's Manual, ISE-AG Inc., 2000.

24. ECAD 5.0 User's Manual, SILVACO Int., Santa Clara, 1998.

25. Gajewski et al. ToSCA-Handbuch, WIAS Berlin, 1994.

26. DESSIS User's Manual, ISE-TCAD 7.0, ISE-AG Inc., 2000.

27. ATLAS User's Manual, SILVACO Int., Santa Clara, 1998.

28. Wang S., Angermann L. On convergence of the exponentially fitted volume method with an anisotropic mesh refinement for a singularly perturbed convection-diffusion equation //Math. Сотр. P. 123-139.

29. R. E. Bank, D. J. Rose, W. Fichtner Numerical Methods for Semiconductor Device Simulation // IEEE Trans. Electr. Dev. 1983. - Vol. ED-30. P. 1031— 1041.

30. R. E. Bank, W. M. Coughran, Jr., W. Fichtner, E. H. Grosse, D. J. Rose, R. K. Smith Transient simulation of silicon devices and circuits // IEEE Trans. — 1985.-Vol. CAD-4. P. 436-451.

31. R. E. Bank, D. J. Rose Global Approximate Newton Methods // Numer. Math. 1981. - Vol. 37. P. 279-295.

32. G. Wachutka Rigorous thermodynamic treatment of heat generation and conduction in semiconductor device modeling // IEEE Trans., 1990, Vol. CAD-9, P. 1141-1149.

33. Y. Okuto, C. R. Crowell Threshold energy effects on avalanche breakdown voltage in semiconductor junctions // Solid-State Electronics, 1975, Vol. 18, P. 161-168.

34. J. W. Slotboom, H. C. de Graaff Measurements of Bandgap Narrowing in Si Bipolar Transistors // Solid-State Electron., 1976, Vol. 19, P. 857-862.

35. J. W. Slotboom, H. C. de Graaff Bandgap Narrowing in Silicon Bipolar Transistors // IEEE Trans, on Electron Devices, 1977, Vol. ED-24, № 8, P. 11231125.

36. D. В. M. Klaassen, J. W. Slotboom, H. C. de Graaff Unified apparent band-gap narrowing in n- and p-type Silicon // Solid-State Electronics, 1992, Vol. 35, № 2, P. 125-129.

37. M. A. Green Intrinsic concentration, effective densities of states, and effective mass in Silicon // J. Appl. Phys., 1990, Vol. 67, № 6, P. 2944-2954.

38. C. Lombardi, S. Manzini, A. Saporito, M. Vanzi A Physically Based Mobility Model for Numerical Simulation of Nonplanar Devices // IEEE Trans, on CAD, 1988, Vol. 7, № 11, P. 1164-1171.

39. G. Masetti, M. Severi, S. Solmi Modeling of carrier mobility against carrier concentration in Arsenic-, Phosphorus- and Boron-doped Silicon // IEEE Trans, on Electron Devices, 1983, Vol. ED-30, P. 764-769.

40. S. C. Choo Theory of a Forward-Biased Diffused-Junction P-L-N Rectifier. Part I: Exact Numerical Solutions // IEEETrans.on Electron Devices, 1972, Vol. ED-19, № 8, P. 954-966.

41. N. H. Fletcher The high current limit for semiconductor junction devices // Proc. Institution of Radio Engineers, 1957, Vol. 45, P. 862-872.

42. D. M. Caughey, R. E. Thomas Carrier mobilities in Silicon empirically related to doping and field // Proc. IEEE, Dec. 1967, P. 2192-2193.

43. C. Canali, G. Majni, R. Minder, G. Ottaviani Electron and hole drift velocity measurements in Silicon and their empirical relation to electric field and temperature // IEEE Trans, on Electron Devices, 1975, Vol. ED-22, P. 1045-1047.

44. Григоренко В.П., Дерменжи П.Г., Кузьмин B.A., Мнацаканов Т.Т. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. // М.: Энергоатомиздат. 1988. 280 с.

45. J. G. Fossum, D. S. Lee A physical model for the dependence of carrier lifetime on doping density in nondegenerate Silicon // Solid-State Electronics, 1982, Vol. 25, № 8, P. 741-747.

46. J. G. Fossum, R. P. Mertens, D. S. Lee, J. F. Nijs Carrier recombination and lifetime in highly doped Silicon // Solid-State Electronics, 1983, Vol. 26, № 6, P. 569-576.

47. M. S. Tyagi, R. van Overstraeten Minority carrier recombination in heavily-doped Silicon // Solid-State Electronics, 1983, Vol. 26, № 6, P. 577-597.

48. H. Goebel, K. Hoffmann Full dynamic power diode model including temperature behavior for use in circuit simulators // in Proceedings of 1992 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, (Tokyo), 1992, P. 130-135.

49. L. Huldt, N. G. Nilsson, K. G. Svantesson The temperature dependence of band-to-band Auger recombination in silicon // Appl. Phys. Letters, 1979, Vol. 35, № 10, P. 776.

50. W. Lochmann, A. Haug Phonon-assisted Auger recombination in Si with direct calculation of the overlap integrals // Solid State Communications, 1980, Vol. 35, P. 553-556.

51. R. Hacker, A. Hangleiter Intrinsic upper limits of the carrier lifetime in silicon // Journal of Applied Physics, 1994, Vol. 75, P. 7570-7572.

52. Siemieniec R., Schupanski D., Sudkamp W. Lutz J. Simulation and experimental results of irradiated power diodes // Proceedings of the EPE'99 Lausanne. 1999, P. 138-143.

53. G. Chynoweth Ionization rates for electrons and holes in Silicon // Phys. Rev., 1958, Vol. 109, №5, P. 1537-1540.

54. R. V. Overstraeten, H. D. Man Measurement of the ionization rates in diffused Silicon p-n junctions // Solid-State Electronics, 1970, vol. 13, pp. 583-608.

55. Т. H. Geballe, G. W. Hull Seebeck effect in silicon // Physical Review, May 1955, Vol. 98, P. 941-947.

56. W. Fulkerson, J. P. Moore, R. K. Williams, R. S. Graves, D. L. McElroy Thermal conductivity, electrical resistivity, and seebeck coefficient of Silicon from 100 to 1300 К // Phys. Rev., 1968, Vol. 167, № 3, p. 765-782.

57. C. J. Glassbrenner, G. A. Slack Thermal conductivity of silicon and germanium from 3 К to the melting point // Physical Review, May 1964, Vol. 134, P. A1058-A1069.

58. S.M.Sze Physics of Semiconductor Devices // John Wiley & Sons, 2nd ed., 1981.318р.

59. Евсеев Ю.А. Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных преобразовательных устройств // М.: Энергия. 1978. 192 с.

60. Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова Н.Н. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов. // М.: Энергия. 1980. 184 с.

61. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов: Учеб. пособие для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики», «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» // М.: Высш. шк. 1984. 288 с.

62. DIOS User's Manual, ISE-TCAD 7.0, ISE-AG Inc., 2000.

63. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. 311 с.

64. Конозенко И.Д., Хиврич В.И., Семенюк А.Б. Радиационные эффекты в кремнии. Киев: Наукова думка, 1974. 199 с.

65. Физические процессы в облученных полупроводниках / Под ред. JI.C. Смирнова. — Новосибирск: Наука, 1977. 256 с.

66. Вопросы радиационной технологии полупроводников / Под ред. JI.C. Смирнова.— Новосибирск: Наука, 1980. 296 с.

67. Brotherton S.D., Bradley P. Defect production and lifetime control in electron and y-irradiated silicon // Journal of Applied physics. — 1982. — V. 53. № 8. P.5720-5732

68. Evwaraye A.D., Baliga B.J. The dominant recombination centers in electron irradiated semiconductors devices // Journal Electrochemical Society. — 1977.-V. 124. №.6. P.913-916

69. Kuchinskii P.V., Lomako V.M. The effect of thermal and radiation defects on the recombination properties of the base region of diffused silicon p-n structures // Solid-State Electronics. 1986. - V. 29. №.10. P.1041-1051

70. Атабиев И.Е., Горюнов H.H., Ладыгин Е.А. Исследование спектра глубоких радиационных центров в п-p-n транзисторах методом релаксационной спектроскопии // Электронная техника. Сер.2, Полупроводниковые приборы. 1982. - № 6. С. 34-37

71. Jellison G.E. Transient capacitance studies of an electron trap at Ec-Et=0.105 eV in phosphorus-doped silicon // Journal of Applied physics. — 1982. -V. 53. №.8. P.5715-5719

72. Колодин Л.Г., Мукашев Б.Н. Рекомбинационные и электрические свойства кремния р-типа, облученного электронами // Физика и техника полупроводников. 1980. - Т. 14. № 9. С. 1756-1750

73. Guogang Q., Zonglu U. The convergent effect of the annealing temperatures of electron irradiated defects in FZ silicon grown in hidrogen // Solid-State Communications. 1985. -V. 53. №.11. P.975-978

74. Mukashev B.N., Kolodin L.G., Nussupov K.N. et al. Study of primary and secondary radiation defects formation and annealing in p-type silicon // Radiation Effects. 1980. - V. 46. №. 1. P. 79-84

75. Weinberg 1., Swartz С. K. Original reverse annealing in radiation -damaged silicon solar cells // Applied Physics Letters. 1980. -V. 36. №.8. P.693

76. Исследование профиля рекомбинационных параметров кремния, облученного протонами / Булгаков Ю.В., Игнатова Е.А., Кузнецов Н.В., Яценкоt

77. Л.А. // Физика и техника полупроводников. 1984. - Т. 18. №9. С. 1612-1615

78. Wondrak W., Silber D. Buried recombination layers with enhanced N-type conductiving for silicon power devices // Physica. — 1985. V.BC-129. — №1-3. P.322-326

79. Vobecky J., Hazdra P., Voves J. Accurate simulation of combined electron and ion irradiated silicon devices for local lifetime tailoring // Proceedings of the ISPSD.-1994. P. 265-270.

80. Hallen A., Keshitalo N., Masszi F., Nagl V. Lifetime in proton irradiated silicon // J. Appl. Phys., April 1996, vol. 79, № 8, P. 3906-3914.Г

81. Иванов A.M., Строкан Н.Б., Шуман В.Б. Свойства р+-п-структур с заглубленным слоем радиационных дефектов // ФТП. — 1998. Т. 32. №3. С. 359-365.

82. Hazdra P., Rubes J., Vobecky J. Divacancy profiles in MeV helium irradiated silicon from reverse I-V measurement // Nucl. Instr. and Mech. in Phys. Res. 1999.-В 159. P. 207-217.

83. Vobecky J., Hazdra P., Zahlava V. Open circuit voltage decay lifetime of ion irradiated devices // Microelectronics Journal- 1999. Vol. 30. P. 513-520.

84. Feick H., Yung K. Weber E.R. Fast proton damage in bulk silicon // MURI Annual Review. Vanderbilt University. - Nashville. - TN. - October 10-11. — 2000.

85. Vobecky J., Hazdra P., Humbel O., Galster N. Crossing point current of electron and proton irradiated power p-i-n diodes // Microelectronics reliability. — 2000.-Vol. 40. P. 427-433.

86. Hazdra P., Brand K., Vobecky J. Defect distribution in MeV proton irradiated silicon measured by high-voltage current transient spectroscopy // Nucl. Instr. and Mech. in Phys. Res. 2002. - В 192. P. 291-300.

87. Hazdra P., Brand K., Vobecky J. Optimum lifetime structuring in silicon power diodes by means of various irradiated techniques // Nucl. Instr. and Mech. in Phys. Res.-2002.-В 186. P. 414-418.

88. Гейфман Е. М., Чибиркин В.В. Разработка методов контролируемого регулирования времени жизни неравновесных носителей заряда в силовых полупроводниковых приборах. Научное издание // Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. 2000. 20 с.

89. Гейфман Е.М., Чибиркин В.В. Методы контролируемого регулирования времени жизни неравновесных носителей заряда в производстве силовых полупроводниковых приборов: Учеб. пособие // Саранск: Издательство Мордовского университета. — 2002. — 104 с.Ju„ -U„

90. Рис. П.А1. Принципиальная электрическая схема силовой части измерительного стенда для исследования основных динамических характеристик РВД и РВДА.

91. Схема формирования мощного прямого импульса тока

92. Схема формирования обратного импульса тока (импульса тока "накачки")

93. Схема формирования зондирующего импульса напряжения.1. СУ схема управления

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00