Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123


-Si

p-Si

Рис. 2.16. Схематическое устройство кремниевого кристалла:

а - с - --/;+-переходом на основе и-Si (р = 250 Ом см); б - с четырехслойной струк турой п -р -п-р для силового тиристора на основе л-Si (р = 30 Ом-см)- а, а-, - угпм прямых фасок 1 2 У лы


Рис. 2.17. Схематическое устройство кремниевого кристалла с пятислойной структурой li-p-n-i-p+p для силового тиристора на основе n-Si (р = 500 Ом-см) с двумя прямыми фасками а2

напряжения f/gp = 4000...7000 В. Однако в кремниевых структурах с плоскими р-и-переходами для высоковольтных силовых приборов такие важнейшие параметры, как напряженность электрического поля на поверхности Е, ширина ;?-и-перехода на поверхности узла фаски , определяются эмпирическим путем для каждой партии приборов [47]. Например, для диодных структур р+-я-и+-типа на основе и-Si с удельным сопротивлением р (80... 100 Ом см), были рассчитаны по методике [50] поверхностные параметры Е, U щ, aj, с помощью следующих эмпирических формул. ° Для обратной фаски:

W = (5 i+4)f/o6p + (ll,8a, + 2); W = (0,62 - 0,82а) f/<,5p + 650 - 735а,;

ai<(68 - 4i7 5p)/ll,8; 10°<а,<30°.

Для прямой фаски:

w = 600 2o6p-34

= (0,58 - 9,7а2) / 6? + 600 - 29 Юа

при ЭТОМ поверхностное обратное напряжение U определяется по формуле [51]:

2рооеео

обр to6pPv(eeo+eieo)

где Oq - поверхностная плотность электрического заряда, Кл/м; Ej, е, Eq - диэлектрическая проницаемость среды (воздух SiOj и другая защита), полупроводника, свободного пространства (Eq = 8,85 10 ), Ф/м соответственно; р - плотность объемного заряда в полупроводнике

соответственно (р, = gN, = 9(Ла ~ -д))-

Для диодных, транзисторных, тиристорных полупроводниковых структур, а также в зависимости от технологии их изготовления, вышеперечисленные поверхностные параметры будут иметь уже другие значения, рассчитанные по другим формулам, которые представлены в виде графического решения (рис. 2.18, 2.19, 2.20).

Такой разброс поверхностных полупроводниковых структур для силовых приборов не позволяет разрабатывать более высокие технологии их производства, с целью существенного повышения характеристик полупроводниковых структур с плоскими (планарными) р-я-переходами и металлическими контактами к ним.

Как следует из рис. 2.14, слой объемного заряда реального р-п-пе-рехода в приповерхностном слое кристалла кремния может быть уже

£ кВ/см

80 60 40 20 О

Tj-Si

tflf-1-Л ]-Л-1-А-

600 1000 1400 1800 X, мкм

Рис. 2.18. Распределение напряженности электрического поля на поверхности p-n-ri-кремниевой структуры при различных значениях t/gp, кВ: 1; 2 - 2; J - 3; 4 - 4



кВ/см 80

60 40 20

n-Si

Si /

\а, = 25°

1 /\а = 20°

- 1

1/ уХа, = 15°

-\ 1 \-1 \ 1 .

О -100 о

200 400 а

£s, кВ/см 80

60 40 20 О

- и

-1 1

-200 0 200 600 1000 б

Ж , мкм

Рис. 2.19. Распределение напряженности электрического поля на поверхности р-п-перехода с обратной (а) и прямой (б) фасками в кремниевой структуре с удельным сопротивлением р = 30...40 Ом-см

Различие в площадях верхнего и нижнего металлических контактов приводит к неоднородному распределению плотности рабочего тока через выпрямительный диод в прямом направлении (в режиме инжекции), так как наибольшая плотность рабочего тока наблюдается у края верхнего электрода, имеющего меньшие геометрические размеры, поэтому электротепловая неустойчивость (электротепловая деградация) значительно больше у края верхнего электрода, чем у нижнего при приложении к структуре диода прямого напряжения f/jjp-

Электрофизические недостатки присущи и кремниевым четырехслой-ным силовым структурам р-п-р-п-типа, представленным на рис. 2.21.

Для создания силовых кремниевых полупроводниковых приборов были предложены типы структур с двумя или тремя фасками, в которых, тем не менее, не исключается проявление краевого эффекта из-за наличия поверхностного заряда с повышенной поверхностной плотностью у краев плоских металлических контактов.

Более приемлемой конструкцией является кремниевая структура, имеющая форму электрода Роговского [52] (рис. 2.22), в которой распределение напряженности электрического поля и его эквипотенциальных линий имеют более однородную природу, что позволяет использовать такие структуры при обратных напряжениях в пределах 4...7кВ без скошенных боковых поверхностей /?-и-переходов.

Другими словами, структура Si выпрямительного элемента должна повторять структуру контактных электродов, роль которьгх в структуре


Рис. 2.20. Зависимость отношения напряжения поверхностного про-проб напряжению о&ьемно- Р°боя Lj,gp от плотности Q, поверхностного заряда в кремние вых р - - -структурах



Рис. 2.21. Профили фасок /7-/7-р-и -струк-туры на основе и-Si с удельным сопротивлением. Ом см: а-7; б- 500; = 10...35°; аз = 2...5°; 03 = 3°

да. Сужение ОПЗ увеличивает напряженность электрического поля Е в приповерхностной области по сравнению с объемным значением е это приводит к возникновению поверхностного пробоя при более шэ-ком обратном напряжении (см. рис. 2.18, 2.19, 2.20).

Как показывает анализ реальных кремниевьгх структур У-и-и+-типа для силовых полупроводниковых приборов [47], применение профилирующих фасок а, и аз не избавляет реальные приборы от поверхностного пробоя при приложении к р-и-переходу обратного напряжения, так как это грубо нарушает условие электронейтральности структуры в абсолютных единицах заряда, Кл:

Qo + Qss +Qs-, (2.3)

где Qg = UQpC, Qg - заряд в диэлектрике при приложении обратного напряжения, С = ее/а - емкость структуры; Q - заряд поверхностных состояний (на границе раздела); - заряд в обедненной области Qs = (А ~ д)(- ); р-п ~ объем р- -перехода.

Таким образом, при создании и проектировании плоских кремниевых планарно-эпитаксиальных, планарно-диффузионных структур с плоскими металлическими контактами, для выполнения закона электронейтральности приходится вводить противоканальные кольца р- и и+-типов, противоканальные р-и-переходы, фаски с острыми углами, которые уменьшают их рабочий объем.



металлический контакт

и-Si

металлический контакт

V-Si


Рис. 2.22. Структура р+-/-и -кремниевого диода, имеющая форму электрода Роговско-го (а), и распределение эквипотенциальных линий в такой структуре (б)

ri-i-p выполняют и и -слои, как у электродов Роговского , и они повторяют застывшую эквипотенциальную плоскость (см. рис. 2.22, б), которая соответствует потенциалу f/. = Uq/A, поэтому напряженность электрического поля на поверхности р-и-перехода будет всегда меньше, чем в объеме, т. е. Е < Ер вследствие того, что у структуры с электродами Роговского эквипотенциальные линии у поверхности расходятся.

Координаты хну формы электрода Роговского* находятся из решения системы уравнений следующим образом:

X = - (h/2n)lnA; у = (h/2n)(A + л/2),

тд.е h - Wq - толщина базовой области полупроводниковой структуры; А - параметр, характеризующий силовые линии.

Полупроводниковые структуры, соответствующие этим уравнениям, являются плоскими, так как не учитывают распределения зарядов по оси z, и сами металлические контакты также являются плоскими (см. рис. 2.22, а).

е (а)


Рис. 2.23. Распределение электрического заряда у края прямоугольной металлической пластины по координате х = а

Сущность этого явления (рис. 2.23) заключается в том, что плоские металлические контакты к таким полупроводниковым структурам всегда несут на себе поверхностный заряд Q, распределенный неравномерно по площади контакта (рис. 2.23):

йхйу = (оо + кх) дхйу.

где S - поверхность металлической контактной пластины, м; - поверхностная плотность электрических зарядов на поверхности контактной пластины, Кл/м; Oq - однородное распределение поверхностных зарядов, Кл/м.

Такую картину можно представить графически (см. рис. 2.24).

Для того, чтобы получить равномерное распределение электрического заряда по поверхности металлических контактов и избежать краевого эффекта (накопления поверхностных зарядов на краях плоских прямоугольных металлических контактов при обратном смещении), например, кремниевых силовых диодных структур р+-и-и+-типа, необходимо, чтобы металлическая поверхность контактов (в отличие от плоской поверхности) повторяла поверхность 2-го порядка [53] поверхностного заряда 0* (рис. 2.24, 2.25) и поверхности полупроводниковых р+-и-и+-областей. В


Рис. 2.24. Сгущение (рост) краевого электрического поля напряженностью на торцах верхнего плоского металлического контакта площадью S = аЬ, где Qj - распределение абсолютного отрицательного заряда в кулонах на краю металлического контакта вверху; Q - распределение абсолютного положительного заряда в кулонах на нижнем (также прямоугольной формы) металлическом контакте в кремниевом диоде Р-и-и+-структуры, Ер - однородное распределение напряженности электрического поля в объеме р-и-перехода



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка