Исследование Си

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 15508 (2022 г.) Цитировать эту статью

707 Доступов

Подробности о метриках

Многозатворный полупроводниковый переключатель со световым инициированием (LIMS) представляет собой разновидность силового электронного устройства, которое имеет много отличий от традиционного тиристора, запускаемого электрическим импульсом. LIMS запускается лазером, время включения меньше, а антиэлектромагнитные помехи сильны. Режим открытия LIMS явно отличается от режима открытия традиционного тиристора. После попадания лазера в область затвора в области P-базы появится большое количество электронов и дырок, дырки собираются в области P-базы в PN-переходе J2, а электроны собираются в области N-дрейфа вокруг PN-перехода J2. . Сначала откроется PN-переход J2, затем откроется PN-переход J3. Время задержки тиристоров NPN и PNP близко к нулю, когда лазерный импульс узкий, а пиковая мощность высока, поэтому скорость включения высокая. Для оптимизации характеристик LIMS при высоких температурах мы предлагаем новую структуру LIMS с оптимизацией слоя n+, круглым световым затвором и краевым окончанием нового типа. Диаметр LIMS составляет 23 мм. Результаты эксперимента показывают, что ток утечки предлагаемого ЛИМС снижен с более чем 1 мА до 500 мкА при 125 °С, выходной ток ЛИМС составляет 10,2 кА при напряжении 4 кВ при 85 °С, а выходной ток ЛИМС составляет 12,1 кА при напряжении 4 кВ при температуре −55 °С. Кроме того, di/dt превышает 30 кА/мкс.

Будучи наиболее мощными полупроводниковыми переключателями, тиристоры с электрическим и световым управлением являются предпочтительными устройствами для приложений сверхвысокого напряжения, таких как передача постоянного тока высокого напряжения (HVDC) или применение импульсной мощности1,2,3,4,5. . По сравнению с тиристором с электрическим управлением тиристор со световым управлением имеет больше преимуществ в упрощении схемы управления и улучшении электромагнитной совместимости6. Однако в сверхвысокоимпульсных энергосистемах, например, в рельсотронах, время включения короткое, а di/dt тиристора велико, в результате чего традиционные тиристоры с электрическим и световым управлением не могут обеспечить требуемые характеристики. вышеуказанное требование. Соответственно, был предложен многозатворный полупроводниковый переключатель (LIMS), инициируемый светом. LIMS — это разновидность силового электронного устройства, которое имеет множество отличий от традиционных тиристоров, запускаемых электрическими или световыми импульсами. LIMS запускается лазерами, скорость включения высокая, где di/dt превышает 60 кА/мкс.

Однако структура ЛИМС аналогична тиристору, который содержит четыре слоя различного легирования, образующие NPN и PNP биполярный транзистор. При высоких рабочих температурах ток утечки LIMS увеличивается, усиливаясь коэффициентами усиления транзистора, что приводит к паразитному включению тиристора. В некоторых случаях это ухудшит функционирование приложения, например, для военных, коммунальных и аэрокосмических приложений6,7.

Исследование показывает, что ток утечки тиристора при высоких температурах также может возникать из-за поверхностных токов на выводе чипа8. Кроме того, для минимизации тока утечки, составляющего значительную часть общего тока утечки в LIMS, необходимы адекватные методы заделки края и пассивации.

В данной статье предложена новая структура LIMS с оптимизацией n+-слоя, круглым затвором и краевым завершением нового типа, при этом диаметр LIMS составляет 23 мм. Ток утечки предлагаемого ЛИМС составляет около 500 мкА при 125 °С, а выходной ток ЛИМС составляет 10,2 кА при напряжении 4 кВ при 85 °С.

На рисунке 1а представлена ​​структура традиционного чипа Si LIMS. LIMS почти идентична структуре тиристора, за исключением области затвора, позволяющей возбуждать больше носителей фотонами. Однако режим открытия LIMS явно отличается от режима традиционного тиристора с электрическим управлением. После того, как лазер наведен на освещенную область, в области P-базы появится множество электронов и дырок, дырки собираются вокруг P-базы в PN-переходе J2, а электроны собираются в области N-дрейфа вокруг PN-перехода. Дж2. Когда лазерный импульс узкий и пиковая мощность высока, тиристор NPN откроется раньше тиристора PNP, но время задержки тиристоров NPN и PNP минимально. Когда энергия лазера в единицу времени (энергия лазера и ширина импульса) подходит, тиристор PNP и тиристор NPN откроются одновременно. Таким образом, скорость включения LIMS высока.