2
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень используемых сокращений..........................................4
Введение..................................................................5
1. Современные полупроводниковые приборы и перспективы их развития........7
1.1. Современные силовые полупроводниковые приборы......................7
1.2. Приборы и структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением....................................................17
1.3. Полупроводниковые приборы с Ы-образными вольт-амперными характеристиками..................................................25
1.4. Выводы. Постановка задачи.........................................35
2. Моделирование и исследование биполярных структур и приборов с М-образной вольт-амперной характеристикой..............................37
2.1. Моделирование и исследование Ы-прибора на основе однотипных биполярных транзисторов...........................................37
2.2. Моделирование и исследование биполярного комплементарного Ы-прибора.........................................................48
2.3. Экспериментальное исследование полупроводникового Ы-нрнбора
на основе мощного биполярного транзистора...........................58
2.4. Выводы............................................................66
3. Моделирование и исследование полупроводниковых биполярно-полевых приборов и структур с Ы-образными вольт-амперными характеристиками 67
3.1. Биполярно-полевой прибор с 1М-образной ВАХ........................67
3.1.1. Расчет вольт-амперной характеристики.........................67
3.1.2. Схемотехническое моделирование и экспериментальное исследование........................................................73
3.1.3. Биполярно-полевой Ы-прибор с двумя участками отрицательного дифференциального сопротивления.....................................77
3.2. МДП-биполярныс К-приборы с модуляцией тока базы и шунтированием эмнттерного перехода биполярного транзистора........80
3.3. Выводы............................................................84
з
4. Моделирование и исследование полупроводниковых структур с
комбинированным полевым управлением....................................85
4.1. Метод комбинированного полевого управления процессом переноса носителей заряда в полупроводниковых структу рах..................85
4.2. Физико-топологическое моделирование и оптимизация полупроводникового прибора с комбинированным полевым управлением с нормально закрытым горизонтальным каналом...........89
4.3. Моделирование структуры с комбинированным полевым управлением
с нормально открытым горизонтальным каналом.........................104
4.4. Моделирование и оптимизация элементарной ячейки вертикального транзистора с комбинированным полевым управлением................109
4.5. Расчет толщины высокоомного слоя мощного биполярно-полевого транзистора с комбинированным полевым управлением................118
4.6. Моделирование полупроводникового прибора с Ы-образной вольт-амперной характеристикой на основе структуры с комбинированным полевым управлением с нормально закрытым каналом.................120
4.7. Моделирование полупроводникового М-прибора на основе структуры с комбинированным полевым управлением с нормально открытым каналом..........................................................122
4.8. Выводы...........................................................125
Заключение...............................................................127
Литература...............................................................130
Приложение..........:....................................................142
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
БСИТ - биполярный транзистор со статической индукцией
ІГГИЗ - биполярный транзистор с изолированным затвором
ВАХ - вольт-ампсрная характеристика
ДМОПТ - МОП-транзистор с двойной диффузией
КПТ - комбинированный полевой транзистор
КПУ - комбинированное полевое управление
МДП - металл-днэлектрик-полупроводннк
МОП - металл-окисел-полупроводник
МОПТ - МОП-транзистор
ОДС - отрицательное дифференциальное сопротивление ОПЗ - область пространственного заряда СВЧ - сверхвысокочастотпый
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время развитие силовой электровики неразрывно связано с необходимостью повышения показателей качества и надежности полупроводниковых приборов, в частности, обеспечения их защиты от пробоя. Существующие мощные полупроводниковые приборы, такие как биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и симисторы, призванные выполнять функции ключей постоянного и переменного тока, из-за часто возникающих токовых перегрузок имеют непродолжительный срок службы. Даже кратковременные перегрузки выводят прибор из сгроя или приводят к необратимым ухудшениям характеристик. Поэтому современные разработки мощных приборов, содержащих в выходной вольт-амперной характеристике участок отрицательного дифференциального сопротивления, ведутся в направлении реализации встроенной системы комплексной защиты по току.
Изучению проблем возникновения отрицательного дифференциального сопротивления на статической или динамической вольт-амперной характеристике, которые послужили причиной образования нового направления в электронике -негатроники, посвящено много работ, в том числе таких известных ученых, как
С.А.Гаряинов, В.И.Стафеев, Л. Н. Степанова, П.А.Филинюк, В. П. Дьяконов, И.Д.Абезгауз и многих других.
Следует отметить различный уровень развития приборов со статическими Э- и Ы-образными ВАХ, так называемых негатронов. На сегодняшний день такие 8-приборы, как тиристоры и симисторы, занимают одно из ведущих мест на мировом рынке изделий силовой электроники (около 9 % от продаж) и продолжают активно прогрессировать. Вместе с тем, за исключением СВЧ диапазона, полупроводниковые как биполярные, так и биполярно-полевые приборы с Г^-образной ВАХ остаются малоизученными. Практически отсутствуют силовые 1^-приборы, выполненные в одном кристалле, недостаточно полно исследованы возможности создания приборов с симмегричнымн Ы-образными ВАХ или с несколькими участками ОДС 1^-типа, которые представляют интерес в качестве защитных устройств узлов электронной аппаратуры, работающих на переменном
6
токе, и элементов в схемах многоуровневой лотки и запоминающих устройств. Известные разработки Ы-приборов характеризуются максимальными значениями тока пика порядка десятых долей ампер и нуждаются в дальнейшей оптимизации схемотехнических и конструктивно-технологических решений с целью улучшения их выходных параметров. Требуются также поиск новых методов управления процессом переноса носителей заряда в полупроводниковых структурах и разработка на этой основе новых типов Ы-прнборов.
Вследствие этого представляется важным проведение дальнейших разработок и исследования биполярных и биполярно-полевых Ы-приборов повышенной мощности в схемотехническом и интегральном исполнении, расширения их функциональных возможностей путем реализации на их основе приборов с симметричными Ы-образными ВАХ и приборов с несколькими участками ОДС Ы-типа, а также поиск новых пригашпов построения подобных приборов.
В первой главе данной диссертационной работы на основе обзора состояния полупроводниковых приборов рассмогрсны перспективы дальнейшего развития приборов с Ы-образными ВАХ; во второй главе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования биполярных Ы-приборов. в том числе с симметричной характеристикой и с несколькими участками ОДС; в третьей главе проведены моделирование и исследование биполярно-полевых Ы-приборов на базе дискретных элементов, а также физико-топологическое моделирование структур; в четвертой главе предложен новый метод комбинированного полевого управления процессом переноса носителей заряда, на основе которого выполнено моделирование различных полупроводниковых приборов (комбинированных полевых транзисторов с нормально закрытым и открытым каналами, полевого и биполярно-полевого транзисторов с комбинированным управлением повышенной мощности, полупроводниковых Ы-приборов с использованием комбинированных полевых элементов в цепи обратной связи).
По результатам исследований опубликовано 14 научных работ.
Диссертационная работа изложена на 141 странице машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 60 рисунков. 6 таблиц и библиографический список из 125 наименований.
7
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ
1.1. Современные силовые полупроводниковые приборы
С расширением сферы применения преобразовательных устройств [1-3] в различных областях техники повышаются требования к надежности и технико-экономическим показателям преобразователей, к качеству вырабатываемой энергии [1-3]. Улучшение понимания физики работы, новые достижения в сфере проектирования и производства, а также новые идеи в области физических принципов работы привели к качественному скачку в развитии силовых полупроводниковых приборов, появлению новых классов дискретных приборов И мощных интегральных схем [1-8].
В течение ряда десятилетий практически единственным полупроводниковым прибором для преобразовательных устройств мощностью более 500 кВт оставался силовой триодный тиристор на базе классической чстырсхслойной структуры с управляющим электродом [9-11].
В последнее время появилась разработки, представляющие собой управляемый по затвору тиристор (Gate Control Thyristor - GCT) [12-18]. GCT одновременно сочетает в себе симметричную таблеточную конструкцию с двухсторонним теплоотводом, минимальное падение напряжения во включенном состоянии, не требует высокоэнергоемких цепей питания блоков управления, обладает помехоустойчивостью при невысоких динамических потерях [12-18].
За последние 20 лет одним из важнейших секторов рынка полупроводниковых приборов стати силовые полевые транзисторы с изолированным затвором (МОПТ) [2,19-20], которые появились в результате развития интегральной МОГ1-тсхнолоши. Перемещение стока с поверхности пластины на сс основание позволило резко увеличить рабочие напряжения и токи приборов [2,21-24]. Метод их изготовления включает двойную диффузию для образования областей канала и истока, что нашло отражение в названии (ДМОПТ). Условное изображение элемента структуры типичного вертикального ДМОП-транзистора показано на
8
рис. 1.1 с гексагональной конструкцией затвора [2,20]. При положительном напряжении на затворе, превышающем пороговое значение ((/я>С/0), на поверхности р-области образуется п-канал и в цепи исток-канал-сток может протекать электронный ток [2,20].
сток
Рис. 1.1. Структура ДМОПТ гексагонального типа.
При обратных напряжениях до 200 В мощные МОПТ являются лучшими во всех отношениях компонентами для любых переключающих устройств [2,25-26]. При напряжениях >200 В выгоднее применять биполярные транзисторы, имеющие низкое напряжение насыщения [2]. По сравнению с биполярными (предполагая одинаковые размеры чипа) мощные МОПТ с обратным напряжением 1000 В имеют значительно большее сопротивление в открытом состоянии [2], и поэтому, высокое паление напряжения и высокие статические потери при переключении. Сопротивление высоковольтного МОПТ в открытом состоянии может быть уменьшено только посредством увеличения площади чипа. Высоковольтные МОПТ обладают следующими достоинствами: малое время переключения, отсутствие времени накопления, легкость управления, выше устойчивость к вторичному пробою и к короткому замыканию (3).
В традиционном высоковольтном МОПТ сопрсггнвление области дрейфа носителей (97% суммарного сопротивления в открытом состоянии Я"),
9
определяется уровнем легирования и толщиной этого слоя [2-3). Эта параметры определяют также и напряжение пробоя транзистора. Для повышения пробивного напряжения необходимо снижать уровень легирования и повышать толщину области дрейфа. Поэтому сопротивление открытого транзистора /?м возрастает как степенная функция напряжения пробоя Иы [3):
(1.1)
где - площадь кристалла.
Толщина дрейфовой п-области стока выбирается достаточной для расположения в ней области пространственного заряда (ОПЗ) при блокировании напряжения заданной величины [2-3]. В высоковольтных МОПТ протяженная слаболегарованная п'-область определяет в основном остаточное сопротивление прибора в проводящем состоянии которое в отсутствии модуляции
проводимости п-слоя сравнительно велико [2-3]. У низковольтных МОПТ путем оптимизации структуры и увеличения площади кристалла удастся резко снизить величину (порядка 0.01 Ом), что дает возможность увеличить рабочие токи приборов до сотен ампер при приемлемом остаточном напряжении иаося (единицы вольт). Так как в проводящей цепи исток-сток отсутствуют последовательно включенные р-п-переходы, то остаточное сопротивление на открытом МОПТ может быть очень низким даже но сравнению с прямым падением напряжения на диодах Шоггки. Это обстоятельство позволяет успешно применять МОПТ в качестве синхронных выпрямителей и силовых ключей в низковольтных преобразователях (например, в источниках питания с выходным напряжением 5 В и мснсс) [2-3].
По сравнению с классическим полевым транзистором Шокли ДМОПТ имеет ряд существенных особенностей, во многом предопределяющих быстродействие и надежность работы приборов [2].
Использование для формирования МОП-структуры чередующихся р-п-областей обусловило наличие в выходной цепи ДМОПТ паразитных биполярных компонентов: биполярного (п*-р-п-п*)-транзистора и (р-п'-п+)-диода. Для
10
уменьшения влияния биполярного транзистора на работу ДМОПТ металлизация истока шунтирует р- и п‘-области (базу и эмиттер транзистора). Тем не менее при высоких скоростях нарастания стокового напряжения и при лавинном пробое ДМОПТ через р-область протекают значительные токи, способные включкгъ транзистор (п*-эмиттер начинает инжектировать в р-базу). Это явление сопровождается шнурованием тока, в результате чего наблюдается вторичный пробой, и ДМОПТ разрушается [2].
При инвертировании тока или при возникновении паразитных колебаний в выходной цепи МОПТ открывается паразитный диод. Накопление избыточных носителей в п-области резко снижает быстродействие прибора и может вызвать его отказ [2-3].
Динамические характеристики МОПТ лучше, чем у биполярных. Однако, первоначальная информация о бесконечном коэффициенте усиления этих приборов теряет свою значимость из-за значительных импульсных токов, требуемых для перезаряда входной емкости Са. Форма выходного импульса МОПТ при переключении более симметрична (время включения мало отличается от времени выключения), чем у биполярного транзистора, но также существуют характерные времена задержки /, к [2]. Время задержки перед включением Г, связано с процессом нарастания напряжения на затворе до пороговой величины (/„ [2]:
/,=Св£/,//„, (1.2)
где /у - ток управления при включении, Си на этом этапе равна сумме емкости
загвор-исток С„ и емкости затвор-сток Ск. Наиболее важно для МОП'Г минимизировать емкость затвор-сток, эффективное значение которой на фронтах импульса увеличивается благодаря эффекту Миллера. В результате для быстрого переключения МОПТ требуются значительные токи управления, которые можно оценить из выражения [2]:
'„ = [С„(и,-У.)+С, £/.]/(„. (13)
11
где и„ - максимальное напряжение на затворе, необходимое для полного открывания прибора; І/„ - напряжение питания в цепи стока; - время включения
Как следует из выражения (1.3), с ростом рабочих напряжений и с уменьшением времени переключения требуемый ток управления резко увеличивается [2].
Потери энергии 1Уу в формирователе импульсов упраатения еще в большей
степени связаны с уровнем переключаемых напряжений. Линеаризируя входную емкость, можно записать (2):
где 1/т и и^ - уровни напряжений на стоке при включении и выключении соответственно (часть 1/т~V^~ £/,). у' Т;ак как потери мощности Р пропорциональны частоте переключения /0: Ру = /$Уу> то каскады, управляющие высоковольтными МОПТ, должны быть достаточно мощными [2].
заглубленным затвором (UMOSFET) [27-28]. Подобная конструкция, выполненная по технологии самосовмсщсния, т.е. полного стравливания слоя затворного поликремния с поверхности кремниевой пластины (a fully self-aligned process), позволяет в несколько раз повысить плотность упаковки элементарных ячеек и снизить значение параметра RM для транзисторов средней мощности по сравнению с планарными МОПТ (29-31 ].
В случае высоковольтных транзисторов (400-1000 В) стандартная МОП-структура достигла предела своего развития в конце 80-х годов [2-3], и дальнейшее снижение сопротивления области дрейфа RM достш-алось зачастую за счет увеличения площади кристалла. Отделение полупроводников фирмы Сименс предложило семейство высоковольтных МОПТ (600-1000 В), названное COOL MOS™ [6].
Новая технология COOL MOS™, базируясь на основных принципах традиционной структуры, имеет существенные отличия и позволяет достичь
Г2).
(1.4)
В середине 80-х группой авторов был предложен МДП-транзистор с
12
значений Ям в 5-10 раз меньше (в зависимости от напряжения пробоя) при той же площади кристалла (6]. В область дрейфа носителей внедрены сквозные, вплоть до области стока, окружающие ее р-каналы. Таким образом пробивное напряжение теперь распространяется не только в вертикальном направлении, как раньше, но и в горизонтальном, приводя к трехмерной структуре области дрейфа [6]. Эго позволяет, с одной стороны, снижать толщину эпитаксиального дрейфовою слоя, а с другой, - повышать уровень ее легирования в "подканальной" области. Описанная структура позволила снизить Ям для тратистора на 600 В в 5 раз по сравнению с лучшими существующими показателями в отрасли, дав возможность увеличить нагрузочную способность ключа до 20 А. В случае МОПТ на 1000 В эта технология способна дать более чем 10-тнкратное снижение сопротивления транзистора, причем для получения более высоких значений напряжения пробоя просто необходимо расширить области сквозных р-каналов без снижения уровня легирования. Эго приводит к линейной зависимости между Ям и максимальным
пробивным напряжением транзистора 1/ьг. Характеристики переключения таких транзисторов аналогичны традиционным МОГІТ, однако без "хвостового" тока, характерного для БТИЗ при выключении и обусловленного рассасыванием носителей, инжектированных коллектором в область дрейфа [6].
Объединение МОП и биполярной тсхнолоши привело к появлению нового класса силовых полупроводниковых приборов - БиМОП-траизисторов [1-3,7,32-40]. В новых приборах удалось устранить главный недостаток МОІ1Т - высокое сопротивление Я", • однако ценой некоторого ухудшения динамических характеристик и усложнения конструкции. Наиболее полно реализуется преимущество МОП-управления и биполярной проводимости в биполярном транзисторе с изолированным затвором (БТИЗ) [1-2,7,34-36,38-40]. Сечение элемента структуры БТИЗ приведено на рис. 1.2, из которого видно, что она отличается от ДМОП-структуры наличием дополнительного р’-слоя, служащего подтожкой-стоком (коллектором) [2-3,34-35,38]. В проводящем состоянии БТИЗ протекание электронов из эмиттера через п-канал, п'-п'-область вызывает встречную инжскцию р‘-стока (коллектора). Накопление избыточного заряда
- Київ+380960830922