Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертационная работа:

Азарян Р.Э.. Исследование физических процессов в многослойных полупроводниковых структурах, выключаемых током управления : ил РГБ ОД 61:85-1/351

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава I. Основы физики процесса выключения тиристора током управления

1.1. Статические и динамические характеристики запираемого тиристора (одномерное приближение)

1.2. Неодномерные явления при запирании тиристора базовым током управления 22

1.3. Схемно-конструктивные варианты переключающихся полупроводниковых элементов (устройств),выключаемых действием тока управления 34

Выводы по первой главе 42

Слава II. Теоретическое и экспериментальное исследование статических параметров рпрп структур, выключаемых током управления.

Введение 46

2.1. Анализ зависимости коэффициента запирания тиристора от величины анодного тока 46

2.2. Исследование физической природы повышенных остаточных падений напряжения

2.2.1. Феноменологический анализ вольтамперной характеристики рпрп структуры, находящейся во включённом состоянии 57

2.2.2. Экспериментальное исследование стационарного распределения потенциала и заряда в рпрп и рппрп структурах. Обсуждение результатов 66

Выводы по второй главе 80

Глава Ш. Экспериментальное исследование не одномерных, нестационарных процессов в запираемом тиристоре.

3.1. Исследование неодномерного нестационарного распределения заряда в структуре запираемого тиристора методом регистрации рекомбинационного излучения

3.1.1. Определение требований к параметрам экспериментальной установки. Описание установки. Методика измерений 82

3.1.2. Градуировка установки 89

3.1.3. Исследование процессов принудительного, нестационарного шнурования тока и разрыва токового шнура в запираемом тиристоре 93

3.2. Исследование динамики электрического поля в базовых слоях рпрп структуры при выключении её током управления 106

3.2.1. Измерительная установка. Методика измерений 107

3.2.2. Процесс восстановления области пространственного заряда в запираемом тиристоре при низких уровнях концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых областях и небольших анодных напряжениях

3.2.3. Динамическое распределение поля в процессе запирания тиристора при высоких уровнях концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых областях и больших анодных напряжениях 115

Выводы по третьей главе 124

]лава1У. Тепловые и полевые эффекты при запирании тиристора, как факторы ограничения предельной переключаемой мощности, которые вопросы конструирования и применения мощных запираемых тиристоров.

Введение 125

4.1. Тепловой механизм деградации и ограничения переключаемой мощности 127

4.1.1. Постановка задачи. Экспериментальные результаты.. 127

4.1.2. Теоретический анализ теплофизической модели структуры запираемого тиристора, учитывающий объёмный характер тепловыделения 133

4.2.Полевой механизм ограничения переключаемой мощности.. 145

4.3.Некоторые вопросы конструирования и применения мощных запираемых тиристоров 149

4.3.1.Исследование запираемых тиристоров с, зашунтированным катодным п+р переходом 149

4.3.2.Исследование процесса запирания многокатодной рпрп-структуры 151

Приложение I.

4.4. Основные конструктивные особенности и электрические характеристики рпрп-структур мощных высоковольтных запираемых тиристоров 158

Выводы по четвертой главе 162

Глава V. Комбинированный способ выключения рпрп-структур.

Введение 164

5.1.Исследование физических процессов в рпрп-структуре при комбинированном ее выключении 165

5.2.Влияние шунтирования эмиттерного п+р перехода на время выключения рпрп-структур в комбинированном режиме. 176

Приложение

5.3.Конструктивные особенности комбинированно выключаемых тиристоров ( КВТ ). Электрические характеристики мощных КВТ в номинальном и сверхтоковом импульсном

режимах 179

Выводы по пятой главе 187

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 189

ЛИТЕРАТУРА  

Введение к работе:

Основными активными элементами в современных силовых полупроводниковых преобразовательных устройствах являются приборы на основе четырехслойной рпрп структуры - тиристоры. Многообразие задач, решаемых с их помощью, а также различные и часто противоречивые требования, предъявляемые к приборам, привели к созданию целого ряда тиристоров специального назначения (модуляторные, частотные, быстродействующие, высоковольтные и т.д.). Из всего семейства многослойных полупроводниковых переключающих приборов следует особо выделить запираемый тиристор (ЗТ) и комбинированно выключаемый тиристор (КВТ) общим для которых является принцип принудительного рассасывания заряда из базовой области отрицательным током управления при их выключении. Наиболее универсальным по своим возможностям является запираемый тиристор (ЗТ), обладающий способностью не только переходить во включенное состояние при подаче положительного импульса тока управления, но и выклю -чагься импульсом тока управления отрицательной полярности. Это специфическое качество открывает широкие возможности для эффективного использования ЗТ в различных системах автоматики при коммутации постоянного тока, в регулируемых и стабилизированных источниках питания, преобразователях напряжения и частоты. Выгоды, которые обещает дать применение ЗТ вместо обычных тиристоров или даже в комбинации с ними, связаны с упрощением схем управления, улучшением массогабаритных показателей преобразовательных систем, и, как следствие, с удешевлением соответствующей аппаратуры. Кроме того, запираемый тиристор - прибор, принципиально более быстродействующий, чем обычный тиристор, т.к. исчезновение накопленного в структуре избыточного заряда при выключении про _ 6 исходит под влиянием принудительного экстрагирования носителей из базовой области с темпом гораздо более быстрым, чем темп рекомбинационных процессов, определяющих динамические свойства обычных тиристоров.

Основным препятствием на пути к широкому применению ЗТ в мощной электротехнике до настоящего времени являлось отсутствие ЗТ -_ов , способных эффективно коммутировать большие токи и напряжения. Решение этой проблемы оказалось невозможным в рамках традиционных представлений о физических процессах в рпрп структурах. Специфическое качество ЗТ - способность переходить в непроводящее состояние под воздействием активного процесса рассасывания заряда из базовой области - обусловило возникновение целого комплекса новых задач как теоретических, так и экспериментальных.

Например, построение одномерной феноменологической теории, объясняющей механизм формирования стационарной вольтамперной характеристики ЗТ, а также установление взаимосвязи между электрофизическими характеристиками и важнейшими статическими параметрами прибора невозможно без рассмотрения эффектов, являющихся следствием стационарной модуляции размеров внутренних областей под действием приложенного к структуре напряжения и нелинейной модуляции их проводимости с ростом плотности тока.

Другой класс задач по исследованию физических процессов в ЗТ связан с рассмотрением нестационарного, неодномерного процесса запирания. Корректное теоретическое его рассмотрение связано со значительными .трудностями. Попытки упрощения задач этого класса приводят к тому, что результаты теоретического анализа носят, как правило, иллюстративный характер. В связи с этим целесообразно, с целью выявления и объяснения существенных и неочевидных деталей динамического процесса запирания, провести комп - 7 лексное экспериментальное исследование динамических распределений заряда и потенциала, полностью описывающих физическую ситуацию в рпрп структуре.

С не одномерным характером процесса запирания, приводящим к принудительной локализации тока в приборах с большой площадью, тесно связаны возможные физические механизмы ограничения предельной переключаемой мощности и частичной или полной деградации ЗТ при работе в критических режимах.

До настоящего времени этот важный вопрос практически не был исследован, в особенности, в плане понимания роли и степени влияния теплового и возможных не тепловых факторов ограничения.

Непрекращающиеся попытки создания полупроводникового прибора, который, по сравнению с обычными тиристорами, имел бы повышенное быстродействие и не уступал им по параметру предельной переключаемой мощности привели сравнительно недавно к реализации идеи комбинированного выключения тиристора. КВТ выключается путем одновременного приложения обратного анодного напряжения и импульса отрицательного тока управления. Несмотря на некоторые общие черты КВТ и ЗТ, связанные с тангенциальным механизмом вывода заряда из структуры, в целом процессы динамической перестройки заряда в них существенно отличаются. В настоящее время чрезвычайно актуальной является задача построения хотя бы качественной физической модели процесса выключения КВТ.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование стационарных и нестационарных процессов при запирании тиристора, выяснение физической природы возможных факторов ограничения предельной переключаемой мощности и определение путей ослабления их влияния, построение физической модели процесса выключения КВТ, а также создание на основе результатов

- 8 физических исследований конкретных модификаций мощных ЗТ и КВТ, способных осуществлять эффективную коммутацию высоковольтных цепей с напряжением от 500 В до 2,5 - 3,0 кВ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Закономерности формирования статической вольтамперной характеристики рпрп-структур определяются эффектом модуляции размеров внутренних базовых областей в случае выполнения условия где odj0 , о 2о " коэффициенты передачи по току условных рпр- и прп-транзисторных секций тиристора при нулевом напряжении на центральном р-п переходе рпрп-структуры.

2. Увеличение коэффициента запирания с ростом величины запираемого тока обусловлено уменьшением коэффициента инжекции р-эмит-тера при повышении плотности тока, текущего в рпрп-структуре, начиная от значения 10 к/сиг.

3. Динамический процесс запирания рпрп-структур большой площади в общем случае имеет неодномерный характер. Степень неодномерности, характеризуемая степенью превышения плотности тока в каком-либо участке структуры над стационарным её значением, уменьшается с уменьшением отношения запираемого тока к запирающему току базы и тангенциального (вдоль линий тока управления) размера п-эмит-тера, а также с повышением равномерности свойств структуре по площади.

4. Уменьшение коэффициента запирания и величины предельного запираемого тока с ростом анодного напряжения есть следствие нестационарного эффекта перестройки заряда в плазме и глубокого проникновения области сильного поля в п-базу рпрп-структуры в направлении от центрального р-п перехода к р-эмиттеру на этапе ускоренного спада анодного тока.

- 9 5. Степень влияния теплового фактора ограничения предельной переключаемой запираемым тиристором мощности наиболее точно устанавливается при рассмотрении теплофизической модели, учитывающей объемный характер тепловыделения в процессе спада тока и нарастание напряжения на рпрп структуре. При завершении процесса запирания в одном токовом шнуре максимальное значение переключаемой мощности не может превышать 6+8 кВА.

6. Существенное, в 3- 7 раз, уменьшение времени выключения тиристора в комбинированном режиме обуславливается, принудительным выводом заряда неравновесных носителей, накопленных в п-базе, через проницаемый (iffc 1) коллекторный переход и р-базу в цепь управления. При этом плазменный сгусток в при коллекторной области п-базы играет роль инжектора, ток которого не зависит от тока во внешней цепи, контролируемого процессом восстановления р+п -эмигтерного перехода.

Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они позволили глубже понять реальные процессы в запираемых и комбинированно выключаемых тиристорах, описать физическую природу факторов, ограничивающих .значения пред-дельной переключаемой мощности ЗТ, предложить практические рекомендации по улучшению конструкции указанных полупроводниковых приборов и создать две модификации ЗТ на , токи 5; 50 А рабочие напряжения 1500; 600 В и три модификации высоковольтных КВТ на токи 160-200 А и напряжение 1200; 1800; 2500 В.

В настоящее время разработка мощного КВТ входит в одну из тем задания "быстродействующие тиристоры" целевой комплексной программы ОЦ-023.  

Подобные работы
Ланцова Ольга Юрьевна
Исследование влияния динамики и кинетики процессов самоорганизации структуры ступеней и островков псевдоморфных пленок на вицинальных поверхностях полупроводников
Паламарчук А.И.
Исследование физических процессов в Р-П-Р-П структурах при комбинированных импульсных воздействиях
Игнатьева Елена Александровна
Исследование фотоэлектрических процессов в спектрально-селективных фотоячейках на основе вертикально-интегрированных диодных структур
Мурашова Алена Владимировна
Исследование процессов эпитаксиального роста четверных твердых растворов InGaAsP в области несмешиваемости
Заварин Евгений Евгеньевич
Исследование особенностей процесса газофазной эпитаксии слоев GaN и AlGaN из металлорганических соединений и оптимизация роста на подложках сапфира и SiC для приборных применений
Штрекерт Ольга Юрьевна
Исследование физических процессов в P-I-N-гетероструктурах на основе органического полупроводника CuPc и неорганического полупроводника GaAs
Уздовский Владимир Валерьевич
Исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью
Радчук Наталия Борисовна
Исследование неравновесных электронных процессов в германии с примесями халькогенов
Ардышев Михаил Вячеславович
Исследование радиационно-термических процессов формирования ионно-легированных слоёв n-GaAs
Потанахина Любовь Николаевна
Рекомбинационные процессы в структурах на основе твердого раствора InGaN

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net