数值模拟研究半导体断路开关的电流截断特性

摘 要:半导体断路开关(SOS)效应的发现,促进了全固态脉冲功率源技术的发展和应用。采用一维流体模型,利用SOS数值模拟程序对SOS二极管P+-P-N-N+结构的电流截断特性进行了数值模拟研究。研究了SOS二极管P区扩散深度、外电路参数对SOS电流截断特性的影响。结果表明:P区扩散深度、次级储能电容C2、反向泵浦电感L-的大小对SOS的反向电流截断时间均有较大影响;随着次级储能电容和反向泵浦电感的增大,电流截断时间增大,反向电流峰值和反向电压峰值减小。该研究对SOS二极管工艺设计和外电路优化设计具有理论意义和实用价值。

关键词: 半导体断路开关; 脉冲功率源; 数值模拟; 电流截断特性

中图分类号:TN389 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)12-0179-03

Numerical Simulation of Current Interruption Characteristics in Semiconductor Cut-off Switches

YANG Hai-yan, ZHAO Xi-an

(Informatization Research Laboratory, Xi’an Military Academy, Xi’an 710108, China)

Abstract: The discovery of the semiconductor opening switch (SOS) effect promoted the development and applications of the all-solid-state pulsed power generator technology. A one-dimensional fluid model is adopted to study the current interuption characteristics of SOS diode P+-P-N-N+ structure by using SOS numerical simulation program. The influences of the diffusion depth in the diode P-type region on the current interruption characteristics of SOS diode is analyzed. The result shows that the influences of the diffusion depth of P-type region, reverse pulse inductance L-and secondary capacitor C2 in the external circuit on the reverse current interuption time of SOS is obvious, the peak values of reverse current and reverse voltage decreases with the increase of the secondary capacitor C2 and reverse pulse inductance L-. The results obtained in this thesis possesses a certain theoretical and practical significance for the SOS diode design and the external circuit optimization.

Keywords: semiconductor cut-off switch; pulsed power generator; numerical simulation; current interruption characteristics

1991年,以LYUBUTIN S K教授为首的俄罗斯爱卡特林堡电物理研究所的研究小组在对用于高压整流的具有P+-P-N-N+结构二极管进行实验时发现,在一定条件下,通过二极管的高密度电流在纳秒级时间内被截断的现象,称之为半导体断路开关效应[1](SOS)。SOS效应的发现,促进了全固态脉冲功率源技术的发展和应用。基于SOS二极管的脉冲功率源,具有纳秒级电流截断时间,可获得数十kA的电流和mV级电压的高功率脉冲,脉冲重复频率可达kHz[2-3]。

1 半导体断路开关的基本工作原理

图1是半导体断路开关的基本回路。通过SOS二极管的电流为ISOS;负载电阻RL上的电压为VR;电容C1上的初始电压为U0。

在正向泵浦阶段,开关S+闭合,S-断开,初级储能电容C1通过正向泵浦电感L+,SOS对次级储能电容C2充电。在这一阶段,通过SOS的正向电流先达到最大值,再逐渐回到电流为零的状态,通过负载RL的电流在正向泵浦阶段为零。当正向泵浦电流通过SOS时,在SOS的P+-P-N-N+结构中,空穴从P+区,电子从N+区注入P-N结,在P+-P-N-N+结的高掺杂边界区积累了大量的空间电荷,使得在P区和N区积累的载流子浓度超过初始掺杂浓度两个数量级,为反向期间的电流截断做准备。

图1 半导体断路开关正、反向泵浦电路

在反向泵浦阶段,开关S+断开,S-闭合,电容C2通过反向泵浦电感L-,SOS和负载RL放电。由于在P+-P-N-N+结的高掺杂边界区积累了大量的空间电荷,当电流反向时的前半时期,高掺杂P+区吸收空穴,高掺杂N+区吸收电子,从而在P+-P边界附近的P+区和N-N+边界附近的N+区形成了两个过剩等离子体浓度波,大部分在正向泵浦阶段所积累的空间电荷被抽出,使通过SOS的反向电流在很短的时间内达到峰值。当累积的空间电荷达到最小值时,通过SOS的反向电流开始被快速截断,SOS上的电压迅速上升,负载RL上得到很高的电压脉冲。由于SOS器件内部反向电流对载流子的抽取,使得SOS的反向电流迅速下降,并在几十ns后达到关断状态,从而在SOS开关上形成断路,这就是SOS的反向电流截断过程。在SOS的断路瞬间,L-中的电流将流过负载RL,从而在负载RL上产生瞬时的短脉冲电流[4-5]。

采用一维流体模型,利用SOS数值模拟程序,通过数值模拟计算[6],研究了P区扩散深度和外电路参数对SOS二极管电流截断特性的影响。

2 P区扩散深度对电流截断过程的影响

通过数值模拟计算,在其他结构参数及电路参数不变的条件下,当P区铝的扩散深度XP从60 μm加深到130 μm时,电场强度的峰值也随着扩散深度的变化相应地从125 μm处移动到175 μm处,正向电流泵浦时间tI+、反向电流泵浦时间tI-、电流截断时间tbk、正向电流峰值IFm、反向电流峰值Imax、正向电压峰值VFm和反向电压峰值Vmax等性能的变化如表1所示。

表1 p区扩散深度对SOS电流截断过程的影响

Xp /μmtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

60415150181.3-3.89.0-91.5

70415140141.1-3.89.0-93.0

80415125131.1-3.99.1-94.0

90415123121.0-3.99.1-94.1

100415125121.0-3.99.1-94.5

110415128121.0-3.99.1-95.0

120415136111.0-3.99.1-95.0

130415136111.0-3.99.1-95.0

随着P区扩散深度的增加,二极管的基区宽度减小,从而导致在正向泵浦阶段,SOS结构的能量耗散降低,使得反向泵浦电容C2上的电压上升,因此在反向泵浦阶段,反向电流密度将增大;同时由于P掺杂区变宽,P区内的平均电子载流子密度下降,因此电子扩散速度变大,少子的复合机会也更大,使反向电流截断时间tbk随P区扩散深度的增加而下降,反向电流截断时间的减小引起反向电压峰值Vmax的增大[7-8]。

3 外电路对电流截断过程的影响

通过数值模拟计算,研究了外部电路参数的变化对SOS二极管电流截断过程的影响[9]。在结构参数及控制参数不变的条件下,通过分别改变外电路参数中电感L+,L-的值、电容C1,C2的值和负载电阻RL的值来观察它对电流截断过程的影响。

3.1 电感L+,L-的值对电流截断过程的影响

当改变电感L+时,通过数值模拟计算可得表2所示电感L+对电流截断过程的影响。随着电感L+的增大,SOS的正向电流泵浦时间增大,正向电流峰值和正向电压峰值逐渐减小,反向电流峰值和反向电压峰值缓慢增大,反向电流截断时间变化不大。

表2 电感L+对电流截断过程的影响

L+ /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

1138127152.85-3.4525.1-85.1

5298117121.35-3.5512.5-90.0

10420125111.00-3.609.5-91.0

15510140130.82-3.628.0-92.0

20585115130.72-3.627.0-92.0

当改变电感L-时,经数值模拟计算,电感L-的变化对反向电流截断过程的影响如表3所示。从表3可以看出,随着电感L-的增大,SOS的反向电流泵浦时间和反向电流截断时间增大,反向电流峰值和反向电压峰值逐渐减小。

表3 电感L-对电流截断过程的影响

L- /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

1415130111.0-3.69.5-91.5

2415145141.0-2.69.5-64.0

3415150171.0-2.09.5-54.0

4415180351.0-1.79.5-50.0

5415200401.0-1.69.5-44.0

6415210451.0-1.59.5-42.0

7415220601.0-1.49.5-40.0

8415230651.0-1.29.5-40.0

9415280701.0-1.49.5-35.0

10415285751.0-1.19.5-30.0

上述模拟结果表明,电感L+的大小主要影响SOS的正向电流泵浦时间、正向电流峰值和正向电压峰值的大小,对反向电流截断时间影响不大。电感L-的大小主要影响SOS的反向电流泵浦时间、反向电流截断时间、反向电流峰值和反向电压峰值的大小,以及反向电流的上升速率。

3.2 电容C1,C2的值对电流截断过程的影响

在改变电容C1时,通过数值模拟计算可得电容C1的变化对电流截断过程的影响如表4所示。从表4可以看出,随着电容C1的增大,SOS的正向电流泵浦时间、反向电流泵浦时间、正向电流峰值和正向电压峰值逐渐增大,而反向电流峰值和反向电压峰值则增加较快。

表4 电容C1对电流截断过程的影响

C1 /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

2.2370120110.9-2.99.0-72.0

3.4415130111.0-3.69.5-91.5

5.1460145111.2-4.31.0-110.0

10510165111.3-5.21.0-132.0

22550130111.4-5.91.0-150.0

在改变电容C2时,通过数值模拟计算可得电容C2的变化对电流截断过程的影响如表5所示。通过调节电容C2的大小,可改变SOS二极管正向电流泵浦时间、反向电流泵浦时间、反向电流截断时间、正向电流峰值、反向电流峰值和反向电压峰值的大小。

表5 电容C2对电流截断过程的影响

C2 /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

2.2370100100.85-3.69.4-94.0

3.4415130111.00-3.69.5-91.5

5.1460150131.15-3.59.5-85.0

10510165201.30-3.09.8-68.0

22550/251.42-2.29.6-47.0

上述模拟结果表明,电容C1的大小不但影响SOS的正向电流泵浦时间、正向电流峰值和正向电压峰值的大小,也影响反向电流峰值和反向电压峰值的大小,对反向电流截断时间影响不大。电容C2的大小主要影响SOS的反向电流泵浦时间、反向电流截断时间、反向电流峰值和反向电压峰值的大小,以及反向电流的上升速率。

3.3 负载对电流截断过程的影响

在改变负载电阻RL时,通过数值模拟计算,负载电阻RL的变化对电流截断过程的影响如表6所示。

表6 负载RL对电流截断过程的影响

RL /ΩtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

24415130121.0-3.69.5-92

4741511591.0-3.910.0-160

82425100101.1-4.111.2-230

12042595131.1-4.212.5-260

15042590131.2-4.212.5-265

18042588131.2-4.212.5-270

20042587131.2-4.212.5-270

22042585131.2-4.212.5-272

随着负载的增大,反向电流泵浦时间减小,反向电流截断时间和反向电流峰值变化不大,反向电压峰值增大。通过调节负载电阻RL的大小,可以改变反向电压峰值、反向电流泵浦时间、反向电压峰值的大小。

4 结 语

采用SOS二极管数值模拟程序,研究了SOS二极管P区扩散深度和外电路参数对SOS电流截断特性的影响,获得了若干有规律性的结果和认识。它表明数值模拟所得的基本变化规律与已有文献上报道的结果基本相符,这对SOS二极管工艺设计和外电路优化设计具有理论意义和实用价值[10]。

参考文献

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