Исследование процесса переключения силовых диодных и тиристорных структур при сверхвысокой скорости нарастания воздействующего напряжения (Итоговый за 2017 г.)

Изготовлены кремниевые тиристорные структуры с рабочим напряжением 2 кВ, диаметром 10 - 20 мм. Изготовлена и откалибрована система нагрева тиристорных структур и встроенных средств регистрации температуры. Проведены экспериментальные исследования процесса переключения тиристорных структур в зависимости от скорости нарастания напряжения dU/dt от 0,5 до 6 кВ/нс, при температуре структур, изменяющейся в диапазоне от 25 до 175°C. Проведены теоретические исследования процесса переключения структур при условиях, соответствующих эксперименту. Исследован процесс переключения силовых тиристоров в проводящее состояние волной ударной ионизации, возбуждаемой подачей на основные электроды тиристора импульса перенапряжения с наносекундным фронтом. В экспериментах на тиристор с рабочим напряжением 2 кВ подавалось напряжение со скоростью нарастания dU/dt в диапазоне 0,5 – 9 кВ/нс. В ходе экспериментов исследуемый тиристор нагревался от 25 до 175°C с помощью внешнего закрытого нагревательного элемента. Установлено, что при высокой скорости нарастания напряжения dU/dt > 4 кВ/нс влияние температуры на процесс переключения тиристора мало вплоть до T ~ 105°C. При T > 105°C характеристики процесса переключения начинают ухудшаться: затягивается длительность перехода в проводящее состояние и растет остаточное напряжение. При малых величинах dU/dt < 1 кВ/нс повышение температуры ухудшает параметры процесса переключения во всем диапазоне измерений, а при T > 105°C эффект переключения исчезает. Численное моделирование показало, что расчетные и экспериментально наблюдаемые времена спада напряжения имеют количественное согласие только в том случае, когда величина активной площади структуры, через которую проходит ток переключения, зависит от dU/dt. Активная площадь увеличивается с возрастанием dU/dt, а также с увеличением удельного сопротивления исходного кремния. При этом активная площадь монотонно приближается к полной площади структуры при dU/dt > 12 кВ/нс. Наоборот, при низкой скорости нарастания напряжения (dU/dt < 0,5 кВ/нс) величина активной площади стремится к нулю. Полученный результат находится в согласии с экспериментальными наблюдениями исчезновения процесса переключения тиристора при dU/dt < 0,5 кВ/нс.