Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Коефіцієнт дифузії залежить від зміни температури і дану зміну описує формула:

(1.3)

Тоді дифузійна довжина руху електронів складе:

(1.4)

Це допущення дозволяє вважати, що p-n-перехід локалізований поблизу границі x₀. Позначимо границі p-n-переходу через x_n й x_p. Розподіл концентрації електронів уздовж осі x. Оскільки концентрація електронів в n-напівпровіднику n_n (основні носії заряду) значно перевищує концентрацію електронів в p-напівпровіднику n_p (неосновні носії заряду), то в площині контакту виникає дифузія електронів з n-області в p-область. Аналогічні міркування приводять до дифузії дірок з p-області в n-область. У такий спосіб через p-n-перехід протікають дифузійні потоки основних носіїв заряду. Ідучи з напівпровідника n-типу, електрони залишають у приконтактній області n-напівпровідника нескомпенсований позитивний нерухомий заряд іонів донорів Q_D+. Аналогічно в приконтактной області p-напівпровідника з'являється рівний по величині нескомпенсований негативний нерухомий заряд іонів акцепторів Q_A-. У такий спосіб в області контакту з'являється електричне поле локалізоване поблизу границі x₀. Будемо характеризувати його контактною різницею потенціалів φ_K0. Утворене поле перешкоджає руху основних носіїв через перехід й є причиною появи зустрічного дрейфового руху електронів з p-області в n-область. Таким чином, потоки неосновних носіїв заряду по своїй природі є дрейфовими. При зростанні концентрації легуючих домішок N_D й N_A контактна різниця потенціалів зростає , а ширина p-n-переходу зменшується. Необхідно відзначити, що область p-n-переходу збіднена рухомими носіями заряду, тому що будь-який виникший у цій області або потрапивший в неї рухомий заряд виштовхується з області переходу електричним полем. Тому опір p-n-переходу значно вище, ніж опір n- і p- областей. Для основних носіїв заряду це поле створює потенційний бар'єр, а, отже, величина потоку основних носіїв заряду через перехід залежить від величин цього бар'єра. Для неосновних носіїв заряду поле в переході створює потенційну яму, а, отже, потік неосновних носіїв заряду не буде залежати від глибини потенційної ями: всі електрони (неосновні носії), що з'явилися в краю потенційної ями, упадуть у неї. Поле в p-n-переході можна змінити шляхом подачі на структуру зовнішньої напруги. Якщо полярність зовнішньої напруги спрямована проти поля в переході, то гальмуюче для основних носіїв заряду поле в переході ( або потенційний бар'єр), зменшується, і потік основних носіїв заряду через p-n-перехід збільшується й значно перевищує існуючий потік неосновних носіїв. Така напруга на p-n-переході називається прямою. При прямій напрузі прямий струм визначається потоком основних носіїв заряду й при прямому струмі n_n >> p_p , то дірковою складовою прямого струму можна знехтувати. При зворотній напрузі зворотний струм визначається потоком неосновних носіїв заряду; оскільки p_p >> n_n.

1.3 Силові діоди.

Діоди, які використовуються в електричних пристроях для перетворення змінного струму в струм однієї полярності називаються випрямними. На вольтамперній характеристиці (ВАХ) Значення прямого й зворотного струмів відрізняються на кілька порядків, а пряме спадання напруги не перевищує одиниць вольтів у порівнянні зі зворотною напругою, що може становити сотні й більше вольтів. Тому діоди мають однобічну провідність, що дозволяє використати їх як випрямні елементи. З малюнка також можна зробити висновок, що з ростом температури зворотний струм зростає. У більшості діодів цей струм при температурі 125ºС може збільшиться на 2-3 порядки в порівнянні зі струмом при 25ºС

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

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

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

Розділ 2. Загальні відомості про напівпровідникові

розмикачі струму.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(2.1).

А лівої формулою 2.2:

(2.2)

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

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

Розділ 3. Основні типи напівпровідникових розмикачів струму.

3.1. Дрейфовий діод з різким відновленням.

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

Характеристики

Список файлов ВКР