Пути повышения быстродействия импульсных диодов

 

Повышение быстродействия диодов в импульсном режиме связано со снижением постоянных времени восстановления обратного сопротивления и установления прямого сопротивления, а также накопленного заряда и заряда переключения, которые в свою очередь зависят от конструкции, технологии изготовления и режимов переключения.

Накопленный заряд определяется прямым током и временем жизни ННЗ для диодов с полубесконечной базой и со структурой p⁺- n - n⁺.

 

.

Для диодов с рекомбинационным омическим контактом

. (6.5 а)

Заряд переключения для диода с полубесконечной базой

.

Для диода с рекомбинационным омическим контактом

.

Таким образом, снижение накопленного заряда и заряда переключения обеспечивается уменьшением времени жизни, толщины базы и величины протекающего прямого тока. С увеличением обратного тока время восстановления обратного сопротивления уменьшается при постоянном прямом токе (рисунок 6.5, б). С увеличением прямого тока время восстановления возрастает из-за увеличения накопленного заряда и в пределе достигает значений длительности послеинжекционной ЭДС, определяемой процессами рекомбинации на БУИ ( ) (рисунок 6.5, а). Учитывая природу инерционности переходного процесса при переключении диода, можно выделить следующие направления по увеличению быстродействия.

 

 

 

а) б)

Рисунок 6.5 - Зависимость времени восстановления обратного сопротивления от прямого тока (а)

и обратного тока (б)

 

1. Уменьшение площади p-n перехода

Приводит к уменьшению зарядной емкости и времени перезаряда при изменении напряжения на переходе. В точечных диодах также уменьшается эффективное время жизни из-за увеличения роли поверхностной рекомбинации в процессе рассасывания накопленного заряда.

2. Уменьшение толщины базы

Практически все импульсные диоды имеют конструкцию с ограниченной базой (p⁺-n-n⁺). В этом случае инерционность процессов рассасывания накопленного заряда определяется постоянной, равной времени пролета базы,

,

Для уменьшения заряда переключения, характеризующего энергетические потери при переключении, следует использовать рекомбинационный омический контакт, т.е. использовать конструкцию мембранного типа (рисунок 6.6). Толщина базы ограничивается требуемым напряжением пробоя.

3. Использование прямозонных полупроводников

Применение прямозонных материалов позволяет снизить накопленный заряд и заряд переключения за счет малого времени жизни, определяемого излучательной прямозонной рекомбинацией. Для диодов на основе GaAs достигнуты времена восстановления менее 10^-10 с.

4. Применение барьера Шоттки

Диоды на основе запорных контактов металл – полупроводник или диоды Шоттки обладают наибольшим быстродействием, так как они работают на основных носителях заряда и эффекты накопления и рассасывания заряда неравновесных носителей в базе либо вообще отсутствуют, либо играют незначительную роль. Недостатком диодов Шоттки являются сравнительно низкое значение обратного напряжения и устойчивости к статическому электричеству и динамическим нагрузкам. Одним из способов повышения напряжения пробоя и надежности эксплуатации является структура диодов Шоттки с охранным кольцом и объемным делительным слоем (рисунок 6.7).

 

p+ p+ P-сетка

n

 

 

n+

 

 

Рисунок 6.6 - Структура мембранного типа

 

 

В структурах подобного типа напряженность в плоскости физического барьера Шоттки не достигает критических значений ударной ионизации и не приводит к деградации границу раздела металл-полупроводник.

5. Диод с ограниченной по глубине рекомбинационной областью

p+ H n n+

Традиционные структуры импульсных диодов на основе плоскостных p⁺-n и p⁺-n-n⁺ переходов обладают ограниченными возможностями получения высокого быстродействия при одновременном обеспечении больших значений пробивного напряжения и умеренных значений прямого падения напряжения. Для реализации высоких значений пробивного напряжения необходимо иметь толстую высокоомную базу, в которой нельзя снижать время жизни с помощью введения рекомбинационных центров легированием золотом или радиационной обработкой ниже некоторой критической величины из-за резкого увеличения прямого падения напряжения на базе (5.63). Поэтому с увеличением напряжения пробоя время восстановления увеличивается и для кремниевых диодов с пробивным напряжением 500 В составляет (50…60) нс. Имеющиеся противоречия в реализации высоковольтных импульсных диодов могут быть уменьшены при применении структуры с ограниченной по глубине рекомбинационной областью p⁺-H-n-n⁺ (рисунок 6.8).

Область Н представляет собой часть n-базы

примыкающей к p-n переходу и имеющей

минимально достижимое время жизни .

Толщина области Н соответствует двум-

а) трем диффузионным длинам этой области,

чтобы уменьшить и локализовать вблизи

X_д H W перехода основную часть накопленного

заряда (рисунок 6.8, б). Общая толщина базы

W обеспечивает требуемое пробивное

напряжение. Время жизни носителей во

б) второй области значительно больше, чем

x в первой , что необходимо для

модуляции проводимости широкой части

Рисунок 6.8 - Структура (а) и распределение

концентрации ННЗ в базе диода

базы, и уменьшения прямого падения напряжения. При переключении большая часть всего накопленного заряда рассасывается быстро с постоянной времени . Меньшая доля накопленного заряда в широкой части базы будет рассасываться с постоянной времени , которая выше . Поэтому возникает диффузионный поток дырок из второй области в первую. Если время пролета Н-области будет выше, чем , то большая часть дырок рекомбинирует в ней, снижая долю дырок, вытекающих во внешнюю цепь, тем самым уменьшая время восстановления обратного сопротивления. Кроме этого, в подобной структуре уменьшается заряд переключения, что снижает энергетические потери в переходном режиме. Теоретические оценки и экспериментальные исследования показывают, что структуры с ограниченной рекомбинационной областью обеспечивают уменьшение времени восстановления обратного сопротивления в пять и более раз по сравнению с теоретическим пределом и достигнутыми результатами на структурах типа p⁺-n -n⁺.

6. Диоды с локальными рекомбинационными областями в базе

Снятие противоречий между требованиями обеспечения быстродействия и малого прямого падения напряжения в высоковольтном диоде может быть достигнуто с помощью структуры с гетерогенной по рекомбинационным свойствам базой. Подобная структура может быть реализована, например, облучением пластины с диодными структурами потоком α-частиц или протонов через соответствующую маску.

В структуре диода с локальными рекомбинационными областями в базе при прямом смещении практически весь ток проходит по нерекомбинационной области базы, в которой сопротивление не увеличивается, а следовательно, постоянное прямое напряжение не отличается от исходной необлученной структуры. На рисунке 6.9 изображена структура p-n перехода с локальными рекомбинационными областями в базе (1 – проводящая необлученная область, 2 – рекомбинационные области).

p⁺

В рекомбинационных областях (рисунок 6.9)

1 X_j 2 сопротивление велико из-за отсутствия

n эффектов модуляции проводимости и вели-

чина накопленного заряда при прямом

W_B смещении мала.

При переключении диода в обратное

смещение накопленный в необлученных

n+ участках базы заряд будет рассасываться

в латеральном направлении в рекомбина-

ционные области, где будет происходить

процесс рекомбинации избыточных

а) носителей заряда. Время жизни носителей

2 заряда в рекомбинационных областях

может быть уменьшено до предельных

1 значений, определяемых поглощенной

дозой α-частиц, которая в данном случае

не лимитируется концентрацией

легирующей примеси в базе. Если

расстояние между рекомбинационными

областями (б) будет меньше, чем толщина

базы W_B , обеспечивающая необходимое

б) напряжение пробоя, то быстродействие

такой структуры будет выше, чем у

традиционной.

 

В первом приближении постоянная времени рассасывания диода с локальными рекомбинационными областями в базе будет определяться временем пролета в латеральном направлении

,

где – расстояние между локальными рекомбинационными областями.

D_р – коэффициент диффузии дырок в нерекомбинационной области базы.

Коэффициент 8 определяют из симметрии структуры .

Теоретическая оценка и экспериментальное исследование показали возможность повышения в 3…5 раз быстродействия кремниевых диодов с напряжением пробоя 500 В по сравнению со структурами традиционного типа с гомогенной по рекомбинационным свойствам базой.

 

7. Технологические методы повышения быстродействия диодов.

Основная цель технологических методов заключается в снижении времени жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению накопленного заряда и заряда переключения, а также постоянной времени рассасывания в переходном процессе переключения диода.

Наибольшее распространение получили методы легирования базы p-n перехода рекомбинационными примесями (Au, Pt для кремния) и радиационной обработки. Сущность методов заключается в введении центров рекомбинации (ловушек), создающих разрешенные состояния вблизи середины запрещенной зоны (наиболее эффективные). Увеличение темпа рекомбинации через введенные центры приводит к уменьшению времени жизни

.

Для радиационной обработки используются частицы высоких энергий:

- кванты, - излучение (электроны) , N (быстрые нейтроны), Р (протоны),

-частицы (двукратно ионизированный атом гелия). Эти методы направлены в основном на гомогенное изменение рекомбинационных свойств полупроводника и повышение быстродействия приборов. Время жизни носителей заряда в облученном полупроводнике уменьшается пропорционально поглощенной дозе или интегральному потоку Ф [см^-2] . При условии независимости процессов рекомбинации через встроенные ловушки и существующие до облучения центры объемной рекомбинации зависимость времени жизни от потока радиации может быть представлена в виде

, (6.6)

где - время жизни ННЗ до облучения;

- коэффициент радиационного изменения времени жизни.

Минимально достижимое время жизни для кремния в диапазоне рабочих температур до 400 К составляет 5·10^-10…10^-9 с.

К недостаткам методов снижения времени жизни следует отнести увеличение уровня обратных токов, обусловленных увеличением темпа тепловой генерации.