автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование электрических параметров и определение времени жизни носителей и времени переключения силовых биполярных полупроводниковых структур

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В БИПОЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ.

1.1. Работа полупроводникового диода в режиме переключения.

1.2. Методы определения времени жизни неосновных носителей.

1.3. Физические модели статических и переходных характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).

1.3.1. Работа БТИЗ в статическом режиме.

1.3.2. Физические модели переходных процессов в БТИЗ.

1.4. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ И ВРЕМЕНИ ОБРАТНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ДИОДОВ.

2.1. Анализ работы диода при воздействии синусоидального сигнала большой амплитуды.

2.2. Методика определения времени'жизни неосновных носителей в базе диода с помощью синусоидального сигнала большой амплитуды.

2.3. Методика определения времени обратного восстановления мощных быстродействующих диодов с помощью трапецеидального импульса.

2.4. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ С ИНЖЕКЦИЕЙ, УСИЛЕННОЙ ЗАТВОРОМ (IEGT).

3.1. Аналитический расчет распределения носителей заряда и падения напряжения на n-базе IEGT в одномерном приближении.

3.2. Квазидвумерный расчет статических параметров транзистора.

3.2.1. Моделирование процессов растекания тока.

3.2.2. Расчет падения напряжения на n-базе IEGT.

3.3. Переходные процессы в транзисторе IEGT.

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ПЕРЕХОДНИЕ ПРОЦЕССЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (БТИЗ).

4.1. Переходные процессы при выключении высоковольтных БТИЗ в схеме полумоста.

4.2. Методика определения времени жизни в высоковольтных БТИЗ при выключении с постоянным напряжением 1ткэ.

4.3. Выводы к главе 4.

Актуальность темы. Силовые полупроводниковые приборы в настоящее время широко используются в импульсных и коммутационных схемах. Критерием использования прибора в такого рода схемах служит быстродействие прибора данного типа, которое находится в прямой зависимости от таких параметров, как время обратного восстановления диода или время жизни неосновных носителей заряда в базе диодной или транзисторной структуры. В последнее время задача прямого измерения этих времен вновь представляет значительный интерес в связи развитием силовой электроники, спецификой которой являются высокие плотности токов и малые времена жизни носителей заряда.

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 (U„p~ 1,5+3 В) при токах 7^=30-5-200 А; высокие максимальные напряжения коллектор-эмиттер £/кэ=1200-ь3500 В; превосходное быстродействие (время включения >0,05 мкс, время выключения tebtKJI=0,3-4-0,5 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. Это объясняется сложностью нестационарных процессов даже в структурах простейшего ключа с одним БТИЗ и активной нагрузкой. 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 tBKJ1 и tBbIK,7, 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 L и паразитных индуктивностей в цепи постоянного тока (величиной до 100 нГн). Для новейшей разновидности ETH3-IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)-HeT методов расчета даже статических параметров.

Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе достаточно развитых математических моделей и 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 наиболее распространенных схемах.

Важнейшим параметром БТИЗ в динамическом режиме является время жизни неосновных зарядов в базе прибора, которое в значительной мере влияет на процессы переключения БТИЗ. Методика определения времени жизни в этом приборе особо актуальна в практическом отношении.

Цель работы: разработка аналитических методов расчета динамических характеристик биполярных полупроводниковых структур и создание методик определения времени жизни в силовых быстродействующих диодах и биполярных транзисторах с изолированным затвором.

Конкретные задачи исследования включали в себя:

1. Анализ переходных процессов в р-n переходе под воздействием гармонического сигнала большой амплитуды. Разработка методики определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода с помощью синусоидального сигнала большой амплитуды. t 2. Анализ переходных процессов в р-n переходе при линейном фронте переключающего импульса. Разработка методики измерения времени обратного восстановления мощных сверхбыстрых импульсных диодов с использованием трапецеидального импульса переключения и методики расчета времени жизни неосновных носителей заряда для идеальных условий переключении (прямоугольного импульса переключения).

3. Разработка аналитических методов расчета распределения носителей заряда, статических параметров и переходных процессов в транзисторе с инжекцией, усиленной затвором (IEGT).

4. Моделирование переходных процессов при переключении высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ).

5. Разработка методики определения времени жизни неосновных носителей в базе БТИЗ.

Научная новизна, В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Разработана простая методика определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода, использующая в качестве измерительного сигнала гармонический сигнал большой амплитуды.

2. Предложена методика расчета времени жизни неосновных носителей заряда хр и времени обратного восстановления trr диода для идеальных условий переключения (прямоугольного импульса переключения) по значению tт измеренному с использованием трапецеидального импульса. Разработан измеритель времени обратного восстановления, позволяющий контролировать время trr мощных сверхбыстрых импульсных диодов при линейном фронте переключающего импульса.

3. Предложены аналитические выражения для расчета распределения носителей заряда и падения напряжения в транзисторе с инжекцией, усиленной затвором. Разработана квазидвумерная математическая модель растекания тока в базовой области при больших уровнях инжекции неосновных носителей.

4. Предложена методика определения времени жизни дырок в базе высоковольтных БТИЗ при выключении с постоянным напряжением икэ.

Практическая значимость. Предложенные в диссертации методики определения времён жизни тр и обратного восстановления trr полупроводниковых диодов, разработанный измеритель trr используются для контроля указанных параметров на Воронежском заводе полупроводниковых приборов в производстве сильноточных быстродействующих диодов. Методика определения времени жизни неосновных носителей заряда хр в базе диода с помощью гармонического сигнала может найти широкое применение для автоматизированного контроля хр как в лабораторных исследованиях, так и в промышленности, так как предполагает использование стандартного промышленного оборудования и легко поддается автоматизации. Полученные аналитическими методами инженерные формулы для распределения носителей и падения напряжения в базе биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) и транзистора с инжекцией, усиленной затвором (IEGT), методика определения времени жизни в высоковольтных БТИЗ могут быть использованы для улучшения параметров БТИЗ, а также ключевых схем на их основе.

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ВГУ по темам «Разработка методик контроля электрофизических параметров полупроводниковых приборов» и «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором».

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Результаты аналитического расчета токового отклика р-n перехода при воздействии гармонического сигнала большой амплитуды и метод определения времени жизни неосновных носителей в базе диода с помощью синусоидального сигнала.

2. Методика определения времени обратного восстановления trr мощных быстродействующих диодов с использованием трапецеидального импульса переключения.

3. Методы аналитического расчета распределения неосновных носителей заряда, падения напряжения и квазидвумерная модель растекания тока в базе транзистора с инжекцией, усиленной затвором (IEGT).

4. Результаты аналитического расчета переходных процессов, времён включения и выключения полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой на основе биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) и методика оценки времени жизни неосновных носителей в базе БТИЗ при выключении с постоянным напряжением ию

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI и VII Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2000-2001), Международном научно-техническом семинаре «Применение силовой электроники в электротехнике» (Москва, 2000), а также на научных конференциях преподавателей и сотрудников ВГУ (1999-2001).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 статьи, 1 тезисы и 3 доклада на научно-технических конференциях. В совместных работах автору принадлежат результаты численных оценок по полученным аналитическим моделям и некоторые экспериментальные исследования. Определение направление исследований, обсуждение результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научными руководителями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 53 наименований. Объем диссертации составляет 114 страниц, включая 33 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе аналитического решения уравнения диффузии для неосновных носителей в n-базе р+-п-п+ диода с помощью преобразований Лапласа получены уравнения, связывающие время жизни тр с отношением амплитуд обратного 10бРм и прямого 1пр токов через р-п переход при воздействии синусоидального сигнала.

2. Разработана достаточно простая методика определения времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода, основанная на измерении отношения амплитуд обратного IospM и прямого 1„р токов через р-п переход при воздействии гармонического сигнала. Использование гармонического сигнала позволяет существенно упростить измерительную аппаратуру и обеспечивает высокую точность измерений (погрешность не более 2%) в широком диапазоне контролируемых значений времени жизни.

3. Предложена методика расчета времени жизни неосновных носителей заряда тр и времени обратного восстановления tn диода для идеальных и произвольных линейных режимов переключения, соответствующих эксплуатационным условиям аппаратуры, по значению tn, измеренному с использованием заданного трапецеидального импульса.

4. Разработан измеритель времени обратного восстановления, позволяющий контролировать время trr мощных сверхбыстрых импульсных диодов при линейном фронте переключающего импульса. Минимальные времена, которые позволяет измерять экспериментальная установка, составляют около 20 не при амплитуде прямого тока 1F=15-30 А.

5. Получены в одномерном приближении аналитические выражения для распределения носителей заряда и падения напряжения на базе транзистора с инжекцией, усиленной затвором (IEGT), разработанного японской фирмой Toshiba. Численные расчеты показывают, что падение напряжения на базе IEGT в статическом режиме в 2-3 раза меньше по сравнению с обычным биполярным транзистором с изолированным затвором.

6. Разработана квазидвумерная математическая модель растекания тока в базовой области при больших уровнях инжекции неосновных носителей и получены аналитические выражения для расчета падения напряжения на n-базе в приборах IHGT.

7. Анализ переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором при выключении на индуктивную нагрузку в схеме полумоста позволил получить аналитическую зависимость коллекторного тока от времени и формулу для времени первой фазы выключения.

8. Проведена оценка влияния коэффициента инжекции ур коллекторного р+-п+ перехода на точность определения времени жизни дырок в п+-базовом слое БТИЗ. Показано, что при выключении БТИЗ в схеме полумоста при значении ^=0,97-^0,98, точное значение ip будет отличаться от измеренного в 1,8-^2,6 раза.

9. Показано, что для БТИЗ с толстой базой (x'2=4Lp3) и малым временем жизни неосновных носителей зависимость тока коллектора от времени при выключении БТИЗа с постоянным напряжением l/кэ хорошо аппроксимируется экспоненциальной функций (с точностью до 10%), что позволяет оценить время жизни неосновных носителей заряда в п- базе БТИЗ при выключении с постоянным напряжением коллектор-эмиттер.

1. Shockley W. The Theory of р-n Junctions in Semiconductors and р-n Junctions Transistors// Bell Syst. Tech. J. 1949. Vol. 28. P.435-443 .

2. Sah С. Т., Noyce R. N., Shockley W. Carrier Generation and Recombination in р-n Junction and р-n Junction Characteristics// Proc. IRE. 1957.Vol. 45. P. 1228-1237.

3. Moll J. L. The Evolution of the Theory of the Current-Voltage Characteristics of р-n Junctions// Proc. IRE. 1958. Vol. 46. P.1076-1084.

4. Гарднер М.Ф., Бэрнс Дж.Л. Переходные процессы в линейных системах. М.: Физматгиз, 1961. 551 с.

5. Носов Ю.Р. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. М.: Наука, 1968. 264 с.

6. Носов Ю.Р. Полупроводниковые импульсные диоды. М.: Советское радио, 1965.224 с.

7. Зк С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн.1/ Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 456 с.

8. Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений. Под ред. Н.Н. Горюнова, Ю.Р. Носова. М.: Сов. Радио. 1968. 304 с.

9. Тхорик Ю.А. Переходные процессы в импульсных полупроводниковых диодах. Киев: Технша, 1966. 243 с.

10. O.Kingston R.H. Switching time injunction diodes and junction transistors// Proc. IRE. 1954. Vol.42, No.5. P.829-834.

11. П.Ильенков А.И. Переходной процесс в полупроводниковых диодах с учетом фронта переключающего импульса// Радиотехника и электроника. 1963. Т.8, №.6. С.1019-1023.

12. Gossik B.R. Post-injection barrier electromotive force of р-n junctions. Physical review. 1955. Vol. 91, No.4. P.1012-1016.

13. Викулин ИМ., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 263 с.

14. Nakagawa A., ImamuraK., Furukawa K.//Toshiba Rev. 1987. No.161. P.34.

15. Hefner 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. P. 1513-1532.

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

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

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

19. Baliga B.J. Fast switching insulated gate transistors// IEEE Electron Device Lett. 1983. Vol. EDL-4. P.452^154.20.3и С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн.2. Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 456 с.

20. 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.

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

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

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

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

25. 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.

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

27. Catt J., Chokhawala R., Pelly В, Введение по применению модулей БТИЗ в корпусах 600 В, ADD-A-PAK и INT-A-PAK 11 Силовые полупроводниковые приборы: Пер. с англ. под ред. Токарева В.В. 1995. С. 509-544.

28. Clemente S., Dubhashi A., Pelly В. IGBT characteristics and applications// International Rectifier AN-983. P. 93-106.

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

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

31. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. 1108 с.

32. Бормонтов Е.Н., Петров Б.К., Сахмуд А.К., Савченко А.А. Методика определения времени жизни неосновных носителей в базе диода с использованием синусоидального сигнала большой амплитуды //

33. Материалы докл. VII Междунар. научно-техн. конференции «Радиолокация, навигация, связь». Т.З. Воронеж. 2001. С.1731-1736. 35.Schroder D.K. Semiconductor Material and Device Characterization. New York: Wiley. 1990. 420p.

34. Cerdeira A. and Estrada M. New method for the determination of carrier lifetime in diodes using a sinusoidal current pulse. Solid State Electronics. 1998. Vol.42, No. 5. P. 727-731.

35. Bertz F. Solid State Electronics. 1979. Vol.22, No.5. P.927-932.

36. Bertz F. Solid State Electronics. 1980. Vol.23, No.6. P.783-787.

37. Melehy M.A., Shockley W. IRE Trans. Electron Devices. 1961. Vol. ED-8, No 2. P. 135.

38. Ильенков А.И. Накопление неосновных носителей в полупроводниковых диодах // Изв. СО АН СССР. 1962. № 11. С. 130-134.

39. Бормонтов Е.Н., Головин С.В., Петров Б.К., Сахмуд А.К. Методика контроля времени обратного восстановления мощных быстродействующих диодов // Известия вузов. Электроника. 2001. № 3. С. 65-69.

40. Петров Б.К., Николаенков Ю.К., Сахмуд А.К. Статические параметры транзистора с инжекцией, усиленной затвором (IEGT) // Материалы докл. VII Междунар. научно-техн. конференции «Радиолокация, навигация,связь». Т.З. Воронеж. 2001. С.1725-1730.

41. Петров Б.К., Сахмуд А.К., Николаенков Ю.К. Переходные процессы в транзисторе с инжекций, усиленной затвором // В кн.: Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры. Межвуз. сб. научн. трудов. Воронеж. 2001. С. 97-102.

42. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А.; под ред. Лабунцева В.А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

43. F. Goodenough Power semiconductors// Electronic Devsign. 1987. Vol.35, No. l.P. 147-156.

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

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

46. Григоренко В.П., Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Мнацаканов Т.Т. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергоатомиздат. 1988. 280 с.

47. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. М.: Наука, 1964. 487 с.