книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

Т у ч к е в н ч В. М., Г р е х о в И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми при­ борами. Л.: Наука, 1988. 117 С.

В книге описаны два новых принципа коммутации, позволив­ шие увеличить мощность, коммутируемую полупроводнико­ выми приборами, в микросекундном диапазопо почти па поря­ док, в наносекундном — на три и в пикосекупдиом — па четыре порядка. Рассматриваются физические процессы, определяющие работу новых классов импульсных и высоко­ частотных приборов, созданных на основе этих принципов. Книга предназначена для специалистов, работающих в об­ ласти физики и техники полупроводников, в лазерной, ускори­ тельной и локационной технике, радиотехнике и преобразова­ тельной технике.

Р е ц е н з е н т ы :

А.А. Р о г а ч е в , В. В. Т о г а т о в

Ре д к о л л е г и я :

академик Г. К. Скрябин (председатель),

академик А. С. Боровик-Романов (заместитель председателя),

академик И. В. Петрянов-Соколов (заместитель председателя), академик Г. А. Авсюк, академик В. А. Виноградов, академик Н. Н. Моисеев, академик А. М. Самсонов,

академик В- Е. Соколов

/2400000000-509

69-88 НГ1

' 054(02)-88

ISBN 5-02-024559-3 © Издательство «Наука», 1988 г.

ВВЕДЕНИЕ

Во многих областях современной физики, связан­ ных с проведением крупномасштабных эксперимен­ тов, и в целом ряде технических областей необходимо коммутировать очень большие электрические мощ­ ности (от мегаватт до тераватт) в микро-, нано- и субнапосекундном диапазонах времени. Это требуется, например, в некоторых направлениях работ по уп­ равляемому термоядерному синтезу, в мощных лазе­ рах и ускорителях, высокочастотных плазмотронах, мощных радиопередающих, радионавигационных и локационных системах и т. д.

Быстрая коммутация больших мощностей осуще­ ствляется, как правило, газоразрядными приборами. В значительной степени благодаря успехам в их раз­ витии появилась техническая возможность создания уникальных установок. Однако эти приборы имеют принципиальные недостатки, обусловленные самим характером процессов, протекающих при разряде в газах. Это прежде всего нестабильность срабаты­ вания, затрудняющая синхронизацию сложных си­ стем, и небольшой срок службы, зависящий от быст­ рого разрушения электродов. Кроме того, газораз­ рядные приборы сложны в эксплуатации, недоста­ точно надежны и весьма чувствительны к внешним воздействиям. В течение последних 10—15 лет они

практически полностью были вытеснены из силовой преобразовательной техники мощными полупровод­ никовыми приборами — тиристорами и транзисто­ рами. Можно было ожидать, что последовательное наступление полупроводниковых приборов захватит также импульсную и высокочастотную технику боль­ ших мощностей. Однако, несмотря на весьма впечат­ ляющие успехи в развитии тиристоров и транзисто­ ров, этого не случилось по причинам, имеющим прин­ ципиальный характер.

Коммутация больших мощностей полупроводни­ ковыми приборами любого типа производится путем резкого увеличения проводимости области, которая в начальном состоянии имеет очень высокое сопро­ тивление и блокирует приложенное к прибору внеш­ нее напряжение. Такой областью обычно является полностью истощенная сильным полем область объ­ емного заряда (ООЗ) обратносмещенного /?-тг-пере- хода. Резкое увеличение проводимости этой области осуществляется путем заполнения ее xopoinq прово­ дящей электронно-дырочной плазмой.

Фундаментальные физические ограничения удель­ ной величины коммутируемой мощности для полу­ проводниковых приборов связаны в основном с от­ носительно низкой подвижностью и концентрацией носителей заряда в плазме, а также сравнительно невысокой рабочей температурой. Это приводит к необходимости создания большого рабочего объема проводящей области. Относительно малые значения диффузионной длины носителей в плазме не дают возможности увеличивать объем за счет возрастания межэлектродного расстояния, как это делается в га­ зоразрядных приборах, и поэтому увеличение ком­ мутируемой мощности может производиться в ос­ новном за счет увеличения площади токопроводя­ щего канала. Таким образом, предельные коммута-

с

-J-L + |

z

3

В 4 +•

Рдс. 1. Четырохслопная/)+7У/т+-структура тиристора.

АВ —» силовая цопь; AG —>цопь управления; J, з —. эадпттврныб р-п- пероходы; г —. коллекторный р-п-пвроход; 4 —» ООЗ коллектора; 5 —.

плаэадонный канал.

ционные характеристики определяются * возмож­ ностью быстрого создания устойчивых коротких плазменных каналов в виде диска большой площади на месте области с высоким сопротивлением.^ наи­ более мощных современных полупроводниковых пере­ ключателях (биполярном транзисторе и тиристоре) плазменные каналы формируются инжекцией носи­ телей из сильнолегированных эмиттерных слоев. На рис. 1 показана полупроводниковая структура мощного тиристора, состоящая из четырех слоев че­ редующегося типа проводимости. Эти слои образуют три р-и-перехода; два крайних (эмиттеры) вклю­ чены в проводящем направлении, а центральный (коллекторный) блокирует приложенное к прибору напряжение. При переключении 0 0 3 этого перехода должна быть заполнена плазмой. Переключение ини­ циируется пропусканием импульса тока в цепи эмиттер—база вдоль тонкого базового слоя. Из-за

большого сопротивления этого слоя инжекция элек­ тронов эмиттерным га+-р-переходом локализуется в узком (порядка сотни микрон) канале вдоль гра­ ницы эмиттер—база. В тиристоре ширина этого канала со временем увеличивается благодаря рас­ пространению включенного состояния, по скорость этого процесса очень мала (0.1—0.005 мм/мкс); в транзисторе же ширина канала не зависит от вре­ мени и даже уменьшается с ростом тока. Такая ло­ кализация делает практически невозможным созда­

на обычных принципах коммутации, не могут кон­ курировать, например, с газоразрядными в области быстрой (микро- и наносекундиой) коммутации мощ­ ностей мега- и гигаваттиого диапазонов. В то же время современное состояние лазерной, ускоритель­ ной и локационной техники, термоядерной энерге­ тики, радиотехники, радиолокации и ряда областей преобразовательной техники требует создания именно полупроводниковых коммутаторов 'этого диапазона мощностей, обладающих традиционными преимущест­ вами полупроводниковых приборов: большим сроком службы, надежностью, высоким кпд и, что крайне важно для ряда применений, устойчивостью к внеш­ ним воздействиям и мгновенной готовностью к ра­ боте.

В пикосекундном диапазоне существующие полу­ проводниковые приборы коммутируют мощность всего лишь порядка 1 Вт. Отсутствие мощных ком­ мутаторов этого диапазона серьезно затрудняет раз­ витие новых видов локационных и регистрирующих систем.

Положение в области коммутации больших мощ­ ностей полупроводниковыми приборами в микро-, нано- и пикосекундном диапазонах радикально из­

менилось за последние несколько лет после того, как в Физико-техническом институте им. А. Ф, Иоффе были разработаны два новых ТпринципаТкоммутации — с помощью управляющего плазменного слоя

ис помощью задержанной ударно-ионизациониой волны, позволившие увеличить коммутируемую при­ борами мощность в микросекундном диапазоне почти на порядок, в паносекупдпом — на два-три порядка

ив пикосекундном — почти на четыре порядка. Столь резкое улучшение коммутационных характе­ ристик естественно открыло принципиально новые возможности для создания систем и устройств на ос­ нове таких приборов для самых различных областей пауки и техники. Однако новые принципы, поло­ женные в основу их работы, потребовали разработки

иновой схемотехники, зачастую весьма сильно отли­ чающейся от общепринятой; основные особенности ее связаны с тем, что практически все новые приборы являются двухэлектродными.

Интенсивные исследования, выполненные в ФТИ им. А. Ф. Иоффе за последние несколько лет, при­ вели к созданию нескольких новых классов мощных полупроводниковых приборов с уникальными харак­ теристиками по быстродействию и величине комму­ тируемой мощности. На основе принципа коммута­ ции с помощью управляющего плазменного слоя были созданы плазменно-управляемые аналоги ти­ ристора и транзистора (микросекундный диапазон), диодные, транзисторные и тиристорные обострители импульсов (наносекундный диапазон). На основе принципа коммутации с помощью задержанной удар­ но-ионизационной волны были созданы обострители импульсов субнано- и пикосекундного диапазонов диодного, транзисторного Ти тиристорного типов. Некоторые из приборов уже переданы в промышлен­ ность и выпускаются в виде опытных серий. Разра­

ботаны и основные схемотехнические решения для устройств на основе этих приборов, созданы и испы­ таны опытные образцы. Весь комплекс работ зало­ жил основы для создания нового направления, кото­ рое можно назвать силовой полупроводниковой импульсной и высокочастотной электроникой. Это на­ правление сейчас находится в стадии становления, и целью настоящей книги является информация ин­ женеров и физиков об основных путях его разви­ тия, проблемах и достижениях.

КОММУТАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ УПРАВЛЯЮЩЕГО ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ

Идея коммутации с помощью управляющего плаз­ менного слоя является довольпо простой. Если в при­ боре, например, тиристорного типа каким-либо спо­ собом создать одыородиый слой электронно-дырочной плазмы в плоскости коллекторного р-тг-перехода, то внешнее напряжение указанной на рис. 1 поляр­ ности будет однородно по площади перемещать из этого слоя дырки в p -область, а электроны — в ^ -об­ ласть. Эти носители, являющиеся основными для базовых р - и ^-областей, понижая потенциальный барьер крайних (эмиттерных) ^-п-переходов, вызо­ вут инжекцию неосновных носителей в соответствую­ щие базовые области и переключение прибора по обычному тиристорному механизму [1]. В отличие от обычного трехэлектродного тиристора здесь пе­ реключение вследствие однородности инициирую­ щего воздействия будет происходить однородно и од­ новременно по всей площади прибора. Таким образом, отказ от управляющего электрода и замена его одно­ родным по площади плазменным слоем в принципе позволяет сформировать плазменный токопроводя­ щий канал с площадью, равной площади кремниевой пластины. Однако создать такой слой довольно сложно. Были исследованы самые разные способы

его формирования — импульсный лавинный пробой коллекторного р-и-перехода [2, 3], | ударная иони­ зация в'мощиом СВЧ-поле [4, 5], ионизация мощ­ ным когерентным и некогерентным импульсом света [6—8]. Все они дали в общем неплохие резуль­ таты, но были слишком сложными в техническом отношении. Наиболее удобным и энергетически вы­ годным оказалось так называемое реверсивно-инжек- ционное управление [9], при котором управляющий плазменный слой создается путем кратковременного изменения полярности напряжения, приложенного к прибору. На основе этого способа были созданы три новых класса приборов. Два класса переключа­ ющих приборов (плазменно-управляемые аналоги тиристора и транзистора) были названы соответ­ ственно реверсивно-включаемым динистором (РВД) и реверсивно-управляемым транзистором (РУТ); эти приборы работают в микро- и субмикросекундном диапазонах. Для наносекундного диапазона был разработан мощный диодный обостритель импуль­ сов [10] — дрейфовый диод с резким восстановле­ нием (ДДРВ), обрывающий протекающий через него ток после рассасывания тонкого плазменного приэмиттерного слоя.1

1. Реверсивно-включаемый динпстор

Конструктивно РВД состоит из нескольких десят­ ков тысяч чередующихся тиристорных и транзистор­ ных элементов с характерным размером, меньшим чем толщина широкой тг-базы прибора (рис. 2). Центральный (коллекторный) переход у элементов общий; он блокирует внешнее напряжение указан­ ной на рисунке полярности. Общим у них является и верхний п +-р эмиттерный переход, образуемый предельно сильнолегированным и+-слоем и довольно