Аналитические модели статических и переходных характеристик длиннобазовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ)

Однако, несмотря на относительно долгое использование БТИЗ в схемах силовой электроники физика работы прибора остается не до конца изученной, а математической модели (подобной SPICE моделям для МОП транзисторов) до сих пор нет. Для БТИЗ с 1/кэмакс⁰⁰ В (dn<2Lp), изготавливаемых на эпитаксиально выращиваемых слоях с тонкой базой, процесс включения достаточно точно описывается диффузионной моделью переноса носителей, а процесс выключения сводится к простой рекомбинации носителей в базе прибора. Для другого же класса БТИЗ с Lfewa^lOOO В (dn>4+6Lp) с однородно легированным кремнием в качестве базы физическое и математическое описание переходных процессов полностью отсутствует в зарубежной и отечественной литературе. Это объясняется сложностью нестационарных процессов в структурах простейшего ключа с одним БТИЗ и активной нагрузкой, обусловленных трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в п-базе БТИЗ, толщина которой превышает в 4−6 раза диффузионную длину дырок Ьр.

Нестационарные процессы в БТИЗ, входящих в состав полумостовых и мостовых схем с индуктивной составляющей нагрузки (величиной до нескольких микрогенри) и содержащих антипараллельные диоды, оказываются гораздо сложнее нестационарных процессов при включении и выключении одиночного БТИЗ в ключевой схеме с чисто активной нагрузкой. Для полумостовых схем расчеты по формулам для одиночного БТИЗ совершенно неприменимы и не позволяют получить достаточно точные аналитические выражения или численные значения для времен ¿-еюг и^ыкл, поскольку в данном случае надо учитывать одновременно переходные процессы восстановления обратного сопротивления быстродействующих высоковольтных антипараллельных диодов с р-п переходом и влияние реальных значений индуктивности в нагрузке Ь и паразитных индуктивно-стей в цепи постоянного тока (величиной до 100 нГн).

Сложность нестационарных процессов в таких структурах обусловлена также трехмерным диффузионно-дрейфовым переносом дырок и электронов в п-базе БТИЗ, толщина которой йп превышает в 3−4 раза диффузионную длину дырок Ьр, кроме того, диффузионные эмиттерные р-ячейки имеют размеры в 3−5 раз меньше ?4, а также сложным характером поведения от времени токов через БТИЗ и антипараллельный диод и напряжений на них из-за влияния индуктивностей в цепи питания.

Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе методов расчета переходных процессов при включении и выключении БТИЗ в реальных полумостовых схемах с антипараллельными диодами препятствует проведению оптимизации отечественных конструкций БТИЗ с целью повышения их быстродействия в таких наиболее распространенных схемах, не позволяет найти величины выброса прямого тока при включении БТИЗ и перенапряжений на БТИЗ при выключении.

Цель работы. Целью данной диссертации является разработка аналитических методов расчета распределения носителей заряда и электрических параметров биполярного транзистора с изолированным затвором с горизонтальным каналом и длинной базой в статическом и динамическом режимах. Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

1. Исследование явлений переноса носителей заряда в БТИЗ, происходящих в базовом слое толщиной в несколько диффузионных длин дырок;

2. Разработка аналитических моделей, описывающих процессы включения и выключения БТИЗ с толстой базой и активной нагрузкой;

3. Исследование прямого падения напряжения в приборах данного типа в зависимости от их конструктивных и физических параметров;

4. Моделирование переходных процессов в схемах полумоста с индуктивной нагрузкой;

5. Исследование физических процессов, происходящих в антипараллельных диодах в схеме полумоста и получение аналитических выражений, позволяющих оценить времена обратного восстановления диода при включении БТИЗ.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней впервые:

1. Установлено, что в БТИЗ с толстой базой (с1п>АЬр) необходимо учитывать не только диффузионные процессы, которые доминируют в приборах с толщиной базы сравнимой с эффективной диффузионной длиной дырок, но также надо принимать во внимание дрейф носителей через базовый слой.

2. Предложены аналитические выражения для расчета распределения дырок в базе со временем при включении БТИЗ в ключевой схеме на активную нагрузку и формулы для времен включения 1вкл и выключения 1выт прибора.

3. Из анализа работы основной ключевой схемы, применяемой на практике — схемы полумоста с индуктивной нагрузкой с двумя БТИЗ и двумя антипараллельными диодами впервые получены аналитические выражения для распределения подвижных носителей в базе БТИЗ, позволяющие достаточно точно оценить времена переключения 1вЮ1 и 1выкл в такой схеме с учетом процессов происходящих в паре БТИЗ-антипараллельный диод.

Практическая значимость. Полученные в работе новые результаты анализа механизмов переноса заряда через толстую базу биполярного транзистора с изолированным затвором в статическом режиме и численная оценка полного прямого падения напряжения в приборе были использованы для разработки первого отечественного БТИЗ. Кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б. К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электроника», г. Воронеж) были разработаны биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием однородно легированных подложек кремния п" - типа. В результате были созданы приборы КП 730А с икэмаКС=600-=-1200 В при токе коллектора 1к=50 А. Инженерные формулы, полученные аналитическими методами для распределения носителей в базе БТИЗ, времен включения и выключения прибора, падения напряжения в базе и времени обратного восстановления антипараллельного диода могут быть использованы для разработки новых биполярных транзисторов с изолированным затвором и ключевых схем на их основе.

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ кафедры полупроводников и микроэлектроники ВГУ «Физика переходных процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором», тема НИЧ-618 и «Разработка многомерных моделей электрических и тепловых процессов в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ)», тема НИЧ-802.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. В БТИЗ с толстой базой (с1п>АЬр) наряду с диффузионным переносом носителей в базе существенное влияние на статические и переходные процессы оказывает дрейф носителей через базовый слой прибора.

2. Результаты аналитического расчета в статическом режиме тока коллектора, прямого падения напряжения, коэффициента инжекции коллекторного р-п перехода в зависимости от конструктивных и технологических параметров.

3. Закон распределения носителей заряда со временем при включении прибора на активную нагрузку и время выключения БТИЗ, учитывающие физические процессы, происходящие в структуре БТИЗ с толщиной базы большей АЬР.

4. Результаты аналитического расчета переходных процессов и времен включения и выключения полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой с учетом взаимодействия двух приборов — БТИЗ и антипараллельного диода.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2000), научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 1997, 1998, 1999 гг.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1997, 1998), десятой научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (Воронеж, 1996), а также на ежегодных научно-технических

11 конференциях аспирантов и научно-преподавательского состава ВГУ (Воронеж, 1996;2000 гг.).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 19-и печатных работах в виде статей и тезисов докладов. В совместных работах автору принадлежат некоторые выводы аналитических выражений, результаты численных оценок по полученным аналитическим моделям и экспериментальные исследования. Определение направление исследований, обсуждение результатов и подготовка работ к печати осуществлялись совместно с научным руководителем проф. Петровым Б.К.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 57 наименований, и содержит 125 страниц печатного текста, 16 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Анализ статического режима и переходных процессов в биполярных транзисторах с изолированным затвором, работающих в различных схемах позволил получить следующие результаты:

1. Исследованы механизмы переноса носителей заряда в БТИЗ с толстой базой. Вместо существовавшей диффузионной модели протекания тока для БТИЗ с толстой базой (с1п>4Ьр) предложена более точная диффузионно-дрейфовая модель.

2. Для статического режима в одномерном приближении при больших уровнях инжекции получено распределение концентрации дырок в п" - базе и формулы для падения напряжения и&bdquo— на базе БТИЗ. Установлено, что дрейфовый механизм переноса дырок становится доминирующим над диффузионным вблизи эмиттерного р±п перехода при толщине ¿-4>вЬрэ, а падение напряжения ипначинает резко увеличиваться при с1п>5Ьрэ. Представлена простая методика расчета коэффициента инжекции диффузионного коллекторного р±п перехода БТИЗ.

3. Для БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой установлено, что в приколлекторной области при включении БТИЗ преобладает диффузионный механизм переноса дырок, а около эмиттера доминирует дрейфовый механизм. Получены аналитические выражения для распределения концентрации дырок в зависимости от времени в этих областях и формула для нестационарного падения напряжения на базе БТИЗ при включении прибора в зависимости от времени протекания постоянного коллекторного тока.

4. Впервые дан анализ переходных процессов, происходящих при переключении БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой и антипараллельным диодом. С учетом изменения протекания тока в БТИЗ со временем при включении получены распределения концентрации дырок в п-базе диода и выражения расчета времени обратного восстановления диода через физические параметры диода и БТИЗ.

5. Предложены аналитические зависимости коллекторного тока от времени с учетом рекомбинации при выключении БТИЗ в схеме ключа с активной нагрузкой, а также формулы для времени выключения Установлено, что минимальное время выключения ¿-выкя=2,3 тр (при ур= 1) имеет место в длиннобазовых БТИЗ, для которых йп-ЕкрП (Екэ)^>ЬрЭ.

6. Получены формулы, характеризующие длительность двух фаз выключения БТИЗ в схеме полумоста с индуктивной нагрузкой: фазы расширения эмиттерного р±п перехода, происходящего при постоянном коллекторном токе, и второй фазы — убывания коллекторного тока при почти постоянном напряжении 11кэ=Екэ

7. Впервые предложено аналитическое выражение для пикового напряжения Ц~кэ при выключении БТИЗ в схеме полумоста из-за э.д.с. самоиндукции на паразитных индуктивностях в цепи питания. Показано, что в быстродействующих БТИЗ с малым временем жизни дырок в п-базе (трд<0,2 мкс) пиковое напряжение может превысить предельно допустимое напряжение икэмакс

8. С помощью выведенных выражений для нестационарного падения напряжения на п — базе ип-() в ключевом режиме, а также в статическом режиме, можно проводить оптимизацию конструкций высоковольтных БТИЗ с заданными напряжениями 1/кэмакс и ипр, динамическими параметрами 1вк-ь 1выю1 путем научно обоснованного выбора толщины йп и удельного сопротивления рп п — базы, времени жизни дырок тр, топологии эмиттерных диффузионных р — ячеек.

С учетом полученных в настоящей работе результатов для статического режима работы БТИЗ кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета под руководством профессора Петрова Б. К. совместно с АООТ ВЗПП (НПО «Электро

118 ника", г. Воронеж) были разработаны первые отечественные биполярные транзисторы с изолированным затвором на основе перспективной технологии с использованием однородно легированных подложек кремния п — типа. В результате были созданы приборы КП 730А с икэмакс=600-И200 В при токе коллектора 1^=5О А.