Studie eines Si

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15508 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der lichtinitiierte Multi-Gate-Halbleiterschalter (LIMS) ist eine Art leistungselektronisches Gerät, das viele Unterschiede zu herkömmlichen Thyristoren aufweist, die durch elektrische Impulse ausgelöst werden. LIMS wird durch einen Laser ausgelöst, die Einschaltzeit ist kürzer und die antielektromagnetischen Störungen sind stark. Der Öffnungsmodus von LIMS unterscheidet sich offensichtlich vom herkömmlichen Thyristor. Nachdem der Laser in den Gate-Bereich eingedrungen ist, erscheint eine große Anzahl von Elektronen und Löchern im P-Basisbereich, Löcher sammeln sich im Bereich der P-Basis im PN-Übergang J2 und Elektronen sammeln sich im N-Driftbereich um den PN-Übergang J2 . Zuerst öffnet sich der PN-Anschluss J2, dann öffnet sich der PN-Anschluss J3. Die Verzögerungszeit der NPN- und PNP-Thyristoren liegt nahe bei Null, wenn der Laserimpuls schmal und die Spitzenleistung hoch ist, sodass die Einschaltgeschwindigkeit hoch ist. Um die Eigenschaften des LIMS bei hohen Temperaturen zu optimieren, schlagen wir eine neue Struktur des LIMS mit der Optimierung der n+-Schicht, des kreisförmigen Lichtgates und des neuen Kantenabschlusses vor. Der Durchmesser des LIMS beträgt 23 mm. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der Leckstrom des vorgeschlagenen LIMS von mehr als 1 mA auf 500 μA bei 125 °C gesunken ist, der Ausgangsstrom des LIMS 10,2 kA bei einer Spannung von 4 kV bei 85 °C beträgt Der Ausgangsstrom des LIMS beträgt 12,1 kA bei einer Spannung von 4 kV bei − 55 °C. Darüber hinaus ist di/dt größer als 30 kA/μs.

Als leistungsstärkste Halbleiterschalter sind elektrisch und lichtgetriggerte Thyristoren die Geräte der Wahl für Ultrahochspannungsanwendungen wie Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) oder gepulste Leistungsanwendungen1,2,3,4,5 . Im Vergleich zum elektrisch gezündeten Thyristor bietet der lichtgezündete Thyristor weitere Vorteile durch die Vereinfachung der Treiberschaltung und die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit6. Allerdings ist in Systemen mit ultrahoher gepulster Leistung, beispielsweise für Railgun-Anwendungen, die Einschaltzeit kurz und der di/dt des Thyristors hoch, was dazu führt, dass herkömmliche elektrisch und lichtgetriggerte Thyristoren ihre Anforderungen nicht erfüllen können die oben genannte Anforderung. Dementsprechend wurde der lichtinitiierte Multi-Gate-Halbleiterschalter (LIMS) vorgeschlagen. LIMS ist eine Art leistungselektronisches Gerät, das viele Unterschiede zu den herkömmlichen Thyristoren aufweist, die durch elektrische oder Lichtimpulse ausgelöst werden. Das LIMS wird durch Laser ausgelöst und die Einschaltgeschwindigkeit ist hoch, wobei der di/dt höher als 60 kA/μs ist.

Allerdings ähnelt der Aufbau des LIMS dem eines Thyristors, der vier Schichten unterschiedlicher Dotierung enthält und so einen NPN- und einen PNP-Bipolartransistor bildet. Bei hohen Betriebstemperaturen erhöht sich der Leckstrom des LIMS verstärkt durch die Transistorverstärkungen, was zum parasitären Einschalten des Thyristors führt. Dies führt in einigen Fällen zu einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Anwendung, beispielsweise bei Militär-, Versorgungs- und Luft- und Raumfahrtanwendungen6,7.

Die Studie zeigt, dass der Leckstrom des Thyristors bei hohen Temperaturen auch von Oberflächenströmen am Chipanschluss herrühren kann8. Dann sind geeignete Kantenabschluss- und Passivierungstechniken erforderlich, um den Leckstrom zu minimieren, der einen erheblichen Teil des gesamten Leckstroms im LIMS ausmacht.

In diesem Artikel wurde eine neue Struktur des LIMS mit der Optimierung der n+-Schicht, des kreisförmigen Gates und des Randabschlusses neuen Stils vorgeschlagen, wobei der Durchmesser des LIMS 23 mm beträgt. Der Leckstrom des vorgeschlagenen LIMS beträgt etwa 500 μA bei 125 °C und der Ausgangsstrom des LIMS beträgt 10,2 kA bei einer Spannung von 4 kV bei 85 °C.

Abbildung 1a zeigt die Struktur des herkömmlichen Si-LIMS-Chips. Das LIMS ist fast identisch mit der Struktur eines Thyristors, mit Ausnahme des Gate-Bereichs, um mehr Ladungsträger durch Photonen anzuregen. Der Öffnungsmodus des LIMS unterscheidet sich jedoch offensichtlich vom herkömmlichen elektrisch ausgelösten Thyristor. Nachdem der Laser auf den lichtgesteuerten Bereich gerichtet ist, erscheinen viele Elektronen und Löcher im P-Basisbereich, Löcher sammeln sich um die P-Basis im PN-Übergang J2 und Elektronen sammeln sich im N-Driftbereich um den PN-Übergang J2. Wenn der Laserimpuls schmal und die Spitzenleistung hoch ist, öffnet der NPN-Thyristor vor dem PNP-Thyristor, aber die Verzögerungszeit der NPN- und PNP-Thyristoren ist minimal. Wenn die Laserenergie in Zeiteinheit (Laserenergie und Impulsbreite) geeignet ist, öffnen der PNP-Thyristor und der NPN-Thyristor gleichzeitig. Daher ist die Einschaltgeschwindigkeit des LIMS hoch.

Struktur des traditionellen Si-LIMS-Chips (a) und des optimierten Si-LIMS-Chips (b).

Der Strom I des LIMS kann durch die folgende Gleichung9 ausgedrückt werden

Hier ist Io der durch Licht ausgelöste Strom und tnpn und tpnp sind die Transportzeiten der Ladungsträger im p-Basis- bzw. n-Driftbereich.

wobei Wp und Wn die Dicken der p-Basis bzw. der n-Drift sind; Wdn ist die Dicke der Sperrschicht; und Dn und Dp sind die Diffusionskoeffizienten des Elektrons bzw. Lochs.

Der di/dt des LIMS kann durch die folgende Gleichung9 ausgedrückt werden:

Der di/dt hängt vom lichtgesteuerten Strom, der Dicke der p-Basis, der n-Drift und der Verarmungsschicht ab.

Der entscheidende Leckstrom des LIMS kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden10:

Dabei ist Lp die Diffusionslänge des Lochs, ND die Dotierstoffkonzentration der n-Drift, ni die intrinsische Ladungsträgerkonzentration und τ die Ladungsträgerlebensdauer. Aus den Gleichungen ist ersichtlich, dass (3) und (4) werden der Leckstrom und di/dt durch Wdn und Dp beeinflusst. Lp, ND und τ wirken sich auf den Leckstrom aus, und Dp, Lp, ND und τ hängen alle mit der Temperatur T zusammen. Daher sollten der Leckstrom und di/dt bei hohen Temperaturen bei der Einstellung der Parameter umfassend berücksichtigt werden LIMS-Chip.

Basierend auf der obigen Theorie hängen der Leckstrom und die Einschaltgeschwindigkeit (di/dt) mit der Dicke der Verarmungsschicht zusammen, einer neuen Struktur des LIMS mit der Optimierung der n+-Schicht und des kreisförmigen Gates, also dem neuen Es wurde ein Kantenabschluss im -Stil vorgeschlagen11. Um den Leckstrom bei hohen Temperaturen zu verringern, wurde die n− (i)-Schicht zwischen p-Basis und n-Drift eingefügt und die Passivierungsschicht (SiO2) am abgeschrägten Abschluss hinzugefügt, wodurch der Oberflächenzustand verringert wird Dichte.

Um die Einschaltgeschwindigkeit (di/dt) zu erhöhen, wurde eine durch mehrere Lichtimpulse ausgelöste Elektrodenstruktur der Kathode für LIMS vorgeschlagen, wie in den Abbildungen dargestellt. 1b und 2. Die Studie zeigt, dass sich der Abstand l (Abb. 1b) der n+-Schicht vom Rand der Kathodenelektrode bis zum lichtausgelösten Bereich erstreckt und den Spitzenwert des Stroms beeinflusst, wenn di/dt hoch ist. Dementsprechend ist die Optimierung der n+-Schicht wichtig für die Eigenschaften des LIMS.

Elektrodenstruktur der Kathode für das LIMS (der grüne Bereich ist die Kathodenelektrode und der andere ist der lichtgesteuerte Bereich).

Das LIMS wurde mit Sentaurus modelliert. In der Simulation wurde die Struktur, wie sie in Abb. 1b dargestellt ist, in 2D-Dimensionen modelliert. Für das optimierte LIMS betragen die Dicke und die Dotierstoffkonzentration der n+-Schicht 10 μm bzw. 1 × 1020 cm−3. Die Dicke und Dotierstoffkonzentration der p-Basisschicht beträgt 35 μm bzw. 2 × 1017 cm−3. Die Dicke und die Dotierstoffkonzentration der n−-Schicht betragen 100 μm bzw. 4 × 1012 cm–3, während die der n-Driftschicht 800 μm bzw. 1,2 × 1013 cm–3 betragen. Darüber hinaus betragen die Dicke und die Dotierstoffkonzentration der p+-Schicht 15 μm bzw. 6 × 1017 cm−3. Der Abstand l (Abb. 1b) der n+-Schicht vom Rand der Kathodenelektrode bis zum lichtausgelösten Bereich beträgt etwa 30 μm. Außerdem wurde am abgeschrägten Abschluss eine Passivierungsschicht (SiO2) hinzugefügt.

Zusätzlich wurde der Anodenstrom durch Lösen von Modellgleichungen in Zylinderkoordinaten simuliert. Das optische Fenster und die Kathodenelektrode sind in Abb. 2 dargestellt. Die monochromatische optische Quelle wurde so eingestellt, dass sie die optischen Fenster gleichmäßig bestrahlt.

Abbildung 3 zeigt die Simulationsergebnisse. Die Simulationsergebnisse in Abb. 3 zeigen, dass der Leckstrom des LIMS mit der Optimierung der n+-Schicht, des kreisförmigen Gates und des neuen Kantenabschlusses 480 μA bei einer Gleichspannung von 5 kV und einer Temperatur von 125 °C beträgt (Der Leckstrom des herkömmlichen Thyristors in Abb. 1a ist größer als 1 mA, wie in Abb. 3 gezeigt).

Simulationsergebnis des Leckstroms für das traditionelle und das optimierte LIMS.

Das in dieser Arbeit verwendete Si-LIMS hatte eine n+pn−np+-Struktur, die schematische Darstellung ist in Abb. 1b dargestellt. Die Dicke und Dotierstoffkonzentration der n+-Schicht, p-Basisschicht, n−-Schicht, n-Driftschicht und p+-Schicht für das LIMS stimmen mit der Beschreibung im Abschnitt „Simulation“ überein. Der Abstand l der n+-Schicht vom Rand der Kathodenelektrode zum lichtausgelösten Bereich beträgt etwa 30 μm. Abbildung 4 zeigt das Bild des vorbereiteten Si-LIMS, wobei der Durchmesser des LIMS-Chips 23 mm beträgt.

Bild des Si LIMS-Chips.

Abbildung 5 ist das schematische Schaltbild zur Bewertung der Schalteigenschaften des LIMS. In der Abbildung stellt C den Speicherkondensator (1 μF), Rcharge für den Ladewiderstand (1 kΩ), Rc für den Lastwiderstand und Lc für die Streuinduktivität dar. Dabei entspricht Rc dem Widerstand von LIMS und Load. Lc ist die parasitäre Induktivität, die aus der Layoutverkabelung des LIMS und anderer Geräte entsteht. Als Lichtquelle zum Auslösen des Si-LIMS wurde ein 980-nm-LD (mit einer Laserenergie von 120 μJ und einer Pulsbreite von 200 ns) verwendet. Die Ausgangsstrommessungen durch das LIMS wurden mit einer Rogowski-Spule durchgeführt, deren Empfindlichkeit und Reaktionszeit 0,1 V/A bzw. 2,2 ns betrugen. Die Eingangsspannungsmessung wurde mit dem Hochspannungstastkopf Tektronix P6015A gemessen.

Schematisches Schaltbild zur Bewertung der Schalteigenschaften des LIMS.

Wie in Abb. 5 dargestellt, lädt sich der Kondensator C auf, während das LIMS im ausgeschalteten Zustand bleibt, und entlädt sich über einen RLC-Schaltkreis, wenn das LIMS ausgelöst wird.

Bei einer hohen Temperatur (125 °C) wurde der Leckstrom des vorbereiteten LIMS gemessen und beträgt etwa 500 μA bei einer Gleichspannung von 5 kV (der Leckstrom des herkömmlichen Thyristors ist größer als 1 mA). Wenn der Leckstrom des LIMS hoch ist, wird ein Teil des Stroms zum Laden des Kondensators vom LIMS abgeleitet und fließt durch den RLC-Schaltkreis, was dazu führt, dass das Laden des Kondensators länger dauert.

Anschließend wird die Einschaltcharakteristik des LIMS gemessen. Abbildung 6a zeigt die Entladewellenformen des LIMS mit einer Spannung von 4 kV bei Raumtemperatur. Aus Abb. 6a geht hervor, dass der Spitzenwert des Ausgangsstroms etwa 10,4 kA beträgt und di/dt 35 kA/μs beträgt.

Entladewellenformen des LIMS mit einer Spannung von 4 kV bei Raumtemperatur (a), bei 125 °C (b), bei 85 °C (c) und bei −55 °C (d).

Abbildung 6b zeigt die Entladewellenformen des LIMS mit einer Spannung von 4 kV bei 125 °C (hier beträgt der Kondensator C in Abb. 5 0,1 μF). In Abb. 6b beträgt der Spitzenwert des Ausgangsstroms etwa 2 kA und di/dt beträgt 12 kA/μs. Abbildung 6c zeigt die Entladewellenformen des LIMS mit einer Spannung von 4 kV bei 85 °C. In Abb. 6c beträgt der Spitzenwert des Ausgangsstroms etwa 10,2 kA und di/dt etwa 30 kA/μs.

Die Eigenschaften des LIMS bei der niedrigen Temperatur von −55 °C wurden ebenfalls gemessen. Die Entladewellenformen sind in Abb. 6d dargestellt. Der Spitzenwert des Ausgangsstroms beträgt etwa 12,1 kA und di/dt beträgt etwa 43 kA/μs.

Daraus kann geschlossen werden, dass das vorbereitete LIMS stabil bei hohen Temperaturen arbeiten kann, der Leckstrom etwa 500 μA bei 125 °C beträgt und der Ausgangsstrom 10,2 kA bei 85 °C erreichen kann (di/dt ist größer als 30 kA/ μs).

Um die Eigenschaften des LIMS bei hohen Temperaturen zu optimieren, schlagen wir eine neue Struktur des LIMS mit der Optimierung der n+-Schicht, dem kreisförmigen Lichttor und dem neuen Randabschluss vor, wobei der Durchmesser des LIMS 23 mm beträgt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Leckstrom des vorgeschlagenen LIMS von mehr als 1 mA auf 500 μA bei 125 °C gesunken ist, der Ausgangsstrom des LIMS 10,2 kA bei einer Spannung von 4 kV bei 85 °C beträgt Der Ausgangsstrom des LIMS beträgt 12,1 kA bei einer Spannung von 4 kV bei − 55 °C. Darüber hinaus ist di/dt größer als 30 kA/μs. Das LIMS hat ein breites Anwendungspotenzial in den Bereichen HGÜ oder gepulster Energie.

Die in Abb. 6 enthaltenen Daten sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Toulon, G., Bourennane, A. & Isoird, K. Analyse und Optimierung einer Thyristorstruktur unter Verwendung von rückseitigen Schottky-Kontakten, die für hohe Temperaturen geeignet sind. IEEE Trans. Electron Devices 60(11), 3814–3820 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Vobecky, J. et al. Silizium-Thyristoren für Ultrahochleistungsanwendungen (GW). IEEE Trans. Elektronenentwickler. 64(3), 760–768 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lips, HP Technologietrends für HGÜ-Thyristorventile. in Proc. Int. Konf. Stromversorgungssystem. Technol., S. 451–455 (1998).

Wang, X. et al. Demonstration eines 4H-SiC-Thyristors, ausgelöst durch 100 mW/cm2 UV-Licht. IEEE Electron Device Lett. 41(6), 824–827 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Spahn, E., Buderer, G., Wey, J., Wegner, V. & Jamet, F. Die Verwendung von Thyristoren als Hauptschalter in EML-Anwendungen. IEEE Trans. Magn. 29(1), 1060–1065 (1993).

Artikel ADS Google Scholar

Nakagawa, T., Satoh, K., Yamamoto, M., Hirasawa, K. und Ohta, K. 8 kV/3,6 kA lichtgesteuerter Thyristor. in Proc. 7. ISPSD, 175–180 (1995).

Kokosa, RA & Tuft, BR Ein rückwärtsleitender Hochspannungs- und Hochtemperatur-Thyristor. IEEE Trans. Electron Devices 17(9), 667–672 (1970).

Artikel ADS Google Scholar

Obreja, VVN, Codreanu, C., Podaru, C., Nuttall, KI und Buiu, O. Die Betriebstemperatur von Silizium-Leistungsthyristoren und der Sperrleckstrom. IEEE Power Electronics Specialists Conf., 2990–2993 (2004).

Baliga, BJ Fundamentals of Power Semiconductor Devices 663–686 (Springer Science+ Business Media, 2008).

Buchen Sie Google Scholar

Vitezlav, B., John, G. & Duncan, AG Theorie und Anwendungen von Leistungshalbleiterbauelementen 192–195 (Chemical Industry Press, 2005).

Google Scholar

Obreja, VVN und Nuttall, KI Zum Hochtemperaturbetrieb von Hochspannungsgeräten. ESSDERC 1–4 (2002).

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61504127 und 51807185) unterstützt.

Schlüssellabor für gepulste Leistung, Institut für Fluidphysik, China Academy of Engineering Physics, Postfach 919-108, Mianyang, 621900, China

Chongbiao Luan, Hongwei Liu, Jiabin Fu, Yang He, Le Xu, Lingyun Wang, Jianqiang Yuan und Yupeng Huang

Institut für Noval Semiconduction, Shandong University, Jinan, 250100, China

Longfei Xiao & Zhuoyun Feng

Staatliches Schlüssellabor für Kristallmaterialien, Shandong-Universität, Jinan, 250100, China

Longfei Xiao & Zhuoyun Feng

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CL, HL und LW schrieben den Haupttext des Manuskripts und YH bereitete die Abbildungen vor. 1 und 2. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jianqiang Yuan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Luan, C., Liu, H., Fu, J. et al. Untersuchung eines lichtinitiierten Multi-Gate-Halbleiterschalters auf Si-Basis für hohe Temperaturen. Sci Rep 12, 15508 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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Eingegangen: 20. März 2022

Angenommen: 05. September 2022

Veröffentlicht: 15. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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