Исследование процессов субнаносекундной коммутации тока на основе ударно-ионизационных волн в полупроводниках (итоговый)

Цель: исследование ударно-ионизационного механизма переключения силовых тиристоров из блокирующего в проводящее состояние импульсом перенапряжения с наносекундным фронтом. Установлено, что при подаче на основные электроды тиристора внешнего импульса с наносекундным фронтом при скорости нарастания напряжения в диапазоне 0,5 - 6 кВ/нс процесс коммутации происходитв режиме распространения в структуре тиристора ударно-ионизационной волны. В этих условиях время перехода тиристора в проводящее состояние находится в диапазоне 200 - 400 пс. Найдены эмпирические соотношения, связывающие основные характеристики процесса переключения: напряжение включения, время нарастания импульса до переключения и время перехода в проводящее состояние. Проведено численное моделирование процесса переключения тиристора, которое показало, что для объяснения полученных результатов необходим учет процесса ионизации глубоких технологических дефектов. Выявлено, что величина активной площади структуры тиристора, через которую проходит ток переключения, зависит от скорости нарастания воздействующего напряжения dU/dt. Показано, что максимальная амплитуда тока, которую тиристор выдерживает без выхода из строя, увеличивается с ростом величины dU/dt на стадии запуска. В экспериментах при dU/dt = 3 кВ/нс тиристор с диаметром полупроводникового элемента 56 мм и рабочим напряжением 2,4 кВ разряжал накопитель емкостью 1 мФ, заряженный до напряжения 5 кВ (коммутатор содержал два тиристора последовательно), на резистивную нагрузку величиной 18 мОм. Получены следующие результаты: амплитуда разрядного тока - 200 кА, начальная скорость нарастания тока - 58 кА/мкс, длительность импульса на полувысоте - 25 мкс, эффективность переключения - 0,97. Исследовано совместное влияние температуры и скорости нарастания напряжения на структуре кремниевого тиристора на процесс его переключения в проводящее состояние волной ударной ионизации. В экспериментах скорость нарастания напряжения на структуре dU/dt изменялась от 0,5 до 10 кВ/нс, температура структуры - от 25 до 200°С. Показано, что основным фактором, определяющим характер и параметрыпроцесса переключения тиристора, выступает величина dU/dt. При dU/dt > 8 кВ/нс запуск волны ударной ионизации при переключении тиристора реализуется при температуре структуры вплоть до 200°С. При dU/dt ≤ 1 кВ/нс эффект переключения исчезает при T ~120°С.