Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |

цы p-n-перехода (по-видимому, благодаря слегка расНа рис. 7 показаны результаты моделирования вольттянутому профилю легирования эмиттерной области).

амперных характеристик 10-кВ диода. Вначале расчеты В этом случае лэксовская полочка появляется, но ее были выполнены исходя из предположения об Дидеадлительность зависит от того, как далеко отодвинута от лизированномУ эмиттере. В этом случае предполагаp-n-перехода область с малым временем жизни.

ось, что в любой точке эмиттера локальное время Присутствие нарушенного слоя в базе не оказывает жизни электронов определяется оже-рекомбинацией и существенного влияния на характер спада послеинжекрекомбинацией ШоклиЦРида (для их описания испольционной эдс диодов (в отличие от лэксовских измерезовались известные из литературы соотношения). Как ний). Дело в том, что в высоковольтных диодах толщина видно из рисунка, такой расчет предсказывает гораздо этого слоя существенно меньше, чем толщина ОПЗ при меньшие прямые падения напряжения по сравнению с нулевом смещении. Таким образом, нарушенный слой экспериментальными данными. Это означает, что репосле восстановления ОПЗ оказывается внутри последальный коэффициент инжекции эмиттера действительно ней. После обрыва прямого тока и восстановления ОПЗ меньше, чем в случае ДидеализированногоУ эмиттера.

утечка носителей из квазинейтральной модулированной А именно, эффективное время жизни электронов в базы в эмиттере практически отсутствует. Скорость спаэмиттере существенно меньше того значения, которое да эдс определяется при этом временем жизни в объеме можно ожидать, исходя из величины коэффициентов базы. Это определяет преимущества метода Госсика, по оже-рекомбинации в 4H-SiC и общепринятых представсравнению с методом Лэкса, для определения времени лений о рекомбинации ШоклиЦРида в сильно легижизни ННЗ в SiC-диодах.

рованных слоях. Моделирование показало, что вольтамперные характеристики и переходные процессы по 2.5. Моделирование статических и переходных Лэксу и Госсику в случае 10-кВ диода адекватно характеристик диодов описываются, если предположить, что время жизни в Для численного моделирования характеристик би- сильно легированной части эмиттера составляет 0.43 нс полярных 4H-SiC приборов использовалась программа при 297 K, 4.27 нс при 390 K и 23.7 нс при 514 K, а ДИсследованиеУ [23], адаптированная для 4H-SiC. Эта сама область с малым временем жизни отодвинута программа основана на современных уравнениях пере- от металлургической границы p-n-перехода на 0.5 мкм носа носителей заряда в полупроводниках [24,25], поз- (см. рис. 5Ц7).

воляющих корректно учитывать полную совокупность нелинейных эффектов высокого уровня инжекции и 2.6. Особенности переходных характеристик высокого уровня легирования: оже-рекомбинацию, судиодов с p-базой жение ширины запрещенной зоны, зависимость кинетических коэффициентов и времени жизни носителей В работах [26,27] впервые было показано, что в заряда от уровня легирования в сильно легированных отличие от диодов с n-базой, которые демонстрируют слоях структуры и т. д. С помощью этой программы довольно ДмягкоеУ восстановление блокирующей споФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 902 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal 2.7. ВАХ при высоких плотностях прямого тока: влияние электронно-дырочного рассеяния На рис. 9 показаны ВАХ 6-кВ диода, измеренные при температурах 293-553 K до плотностей тока j = 104 А/см2. Как видно, при достаточно больших плотностях тока имеет место ДинверсияУ температурной зависимости ВАХ. Точка инверсии приходится на область плотностей тока 2000-3000 А/см2, что более чем на порядок превышает плотность тока инверсии для аналогичных кремниевых структур. Для объяснения этого результата необходим анализ вклада различных нелинейных эффектов, определяющих вид ВАХ в области больших плотностей тока. К ним относятся эффекты, связанные с высоким уровнем легирования эмиттеров:

Рис. 8. Осциллограмма тока во время переключения 4H-SiC сужение ширины запрещенной зоны, уменьшение подиода с p-базой с прямого направления на обратное.

движности основных носителей заряда, бимолекулярная и оже-рекомбинация. Кроме того, необходим учет взаимного рассеяния подвижных носителей друг на друге Ч электронно-дырочного рассеяния (ЭДР). Отметим, что собности, диоды с p-базой могут восстанавливаться доэффекты, обусловленные ЭДР, оказываются чрезвычайвольно ДжесткоУ. При одних и тех же величинах прямого но существенными в таких хорошо исследованных матока накачки и обратного напряжения максимальный териалах, как Ge [30], Si [31,32] и GaAs [33,34], так обратный ток в диодах с p-базой существенно больше, и как сильно уменьшают подвижность носителей заряда этот ток обрывается очень резко за время меньше одной в биполярных приборах при больших плотностях тока.

наносекунды (ср. рис. 6 и 8).

Для определения параметров ЭДР в 4H-SiC нами В работе [28] был проведен анализ процессов восбыл предложен метод, основанный на анализе ВАХ становления 4H-SiC диодов с базами n- и p-типа продиодных структур в области больших плотностей товодимости путем численного моделирования динамики ка [35]. Составляющая падения напряжения на базе Veh, неравновесной электронно-дырочной плазмы. Расчеты обусловленная ЭДР, обычно записывается в виде выполнялись с помощью программы ДИсследованиеУ.

Wn Расчетное время обрыва тока в диодах с p-базой окаj dx jWn Veh = =, (3) залось равным 0.5 0.05 нс (что соответствует экспериq pnp qGpменту), тогда как в диодах с n-базой минимальное время обрыва составляло 3 нс. Показано, что главным фактогде np = Gp0/p Ч подвижность, обусловленная ЭДР.

ром, определяющим разный характер восстановления, Анализ экспериментальных ВАХ диодов в области больявляется большая величина отношения подвижностей ших плотностей тока и компьютерное моделирование по электронов и дырок в 4H-SiC, b = n/p.

программе ДИсследованиеУ показали, что при T = 293 K Известно, что скорость ДвытягиванияУ плазмы обратным током значительно выше из прианодной области, чем из прикатодной (в b2 раз до и в b раз после восстановления эмиттерных переходов [29]). В карбиде кремния (b = 7.5) этот процесс проявляется даже более ярко, чем в кремнии (b = 3), и доминирует во всех типах диодов независимо от асимметрии эффективности эмиттеров и вызванной ею начальной неоднородности распределения плазмы в высокоомной базе. В диоде с p-базой область, свободная от плазмы, возникает на аноде и, расширяясь со временем, достигает катода раньше, чем успевает восстановиться переход катодного эмиттера. В результате к моменту начала восстановления ОПЗ неравновесные носители практически полностью выносятся из базы обратным током.

В этом случае граница восстанавливающейся ОПЗ будет перемещаться в отсутствие ННЗ, т. е. с насыщенной Рис. 9. Прямые ВАХ 6-кВ диодов. Точки Ч эксперимент, скоростью. сплошные линии Ч расчет с учетом ЭДР.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния константа Gp0, определяющая подвижность np, равна 5.8 1019 В-1см-1с-1, а величина qGp0, определяющая вклад ЭДР в ВАХ, Ч 9.3 Ом-1см-1. Отметим, что найденные значения параметров ЭДР в SiC оказываются примерно в 2 раза меньшими, чем в Si [36], в 4 раза меньшими, чем в Ge [30], и в 60 раз меньшими, чем в GaAs [37]. Это означает, что влияние ЭДР в SiC оказывается в соответствующее число раз более эффективным, чем в Si, Ge и GaAs.

3. Биполярные транзисторы (BJTs) Изготавливаемые в настоящее время высоковольтные меза-эпитаксиальные 4H-SiC BJTs имеют n-p-n-структуру. В транзисторах фирмы Cree (1.8 кВ, 10 А) коллекторный n0-слой толщиной 20 мкм легирован азотом с концентрацией 2.5 1015 см-3 [38]. Базовый p-слой толщиной 1 мкм легирован алюминием с концентрацией 2.5 1017 см-3. Эмиттерный n+-слой толщиной 0.75 мкм легирован азотом с концентрацией порядка 1019 см-3. Площадь дискретного транзистора составляет 1 1.4мм2. В приборах применяется встречно-штыревая конфигурация электродов эмиттера ибазы(с геометрией типа ДoverlayerУ). Ширина эмиттерных полос составляет 12 мкм, а суммарная их длина Ч 6см (площадь эмиттера 7.2 10-3 см2). В данном разделе приводятся результаты исследований усилительных свойств таких транзисторов [39,40], а также характеристик их включения и выключения [41,42].

Рис. 10. Зависимости коэффициента усиления тока базы 4H-SiC BJT от тока коллектора в схеме ОЭ. T = 293 K. Точ3.1. Коэффициент усиления ками показаны экспериментальные данные при VCB = 100 В.

Сплошные линии Ч результат расчетов. a Ч пунктирные Один из наиболее важных параметров биполярных линии показывают по отдельности вклад рекомбинации в транзисторов Ч это коэффициент усиления тока базы ОПЗ (1), поверхностной рекомбинации (2) и рекомбинации в схеме с общим эмиттером (ОЭ). Современные выв эмиттере (3). b Ч пунктирная линия показывает результат соковольтные биполярные 4H-SiC n-p-n-транзисторы расчета для гипотетического случая pB = NA.

имеют коэффициент усиления до нескольких десятков при комнатной температуре [43]. На рис. 10 показана зависимость коэффициента усиления 1.8-кВ транзистора от тока коллектора B(IC), измеренная при фиксироносителей сравнивается с концентрацией легирующих ванном напряжении на коллекторе (100 В). Как видно примесей в коллекторной области).

из рисунка, при малых токах коллектора B растет Усилительные свойства относительно низковольтных при увеличении тока, достигая максимума (Bmax = 20) SiC-транзисторов анализировались в работе [45]. Однако при IC = 6 А, а затем довольно быстро падает при из факторов, способных ограничивать усиление трандальнейшем увеличении тока.

зисторов, детально рассматривались только объемная На величину коэффициента усиления биполярных рекомбинация носителей в базовой области приборов и транзисторов влияют разные процессы [44]: объемная эффективность эмиттера. Нами был проведен более дерекомбинация носителей в базовой области транзистора, тальный анализ, учитывающий рекомбинацию носителей рекомбинация носителей в ОПЗ эмиттерного перехода, в ОПЗ эмиттерного перехода, поверхностную рекомбиповерхностная рекомбинация, ДпаразитнаяУ инжекция нацию и рекомбинацию в объеме эмиттера. При этом носителей из базовой области в область эмиттера принимался во внимание эффект оттеснения тока к краю (данный процесс усиливается с ростом плотности тока эмиттера, который в SiC-транзисторах с p-базой должен эмиттера и снижает эффективность последнего), Драсширение базыУ при больших плотностях тока (дан- играть весьма заметную роль по причине сравнительно ный процесс начинает играть заметную роль тогда, высокого удельного сопротивления материала p-типа когда средняя концентрация инжектированных в базу проводимости. Для анализа предложено следующее дифФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 904 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal Таблица 2. Параметры транзисторной структуры, использованные для расчетов Фиксированные параметры Значение Подвижность электронов в базе, nB, см2/В с Подвижность дырок в базе, pB, см2/В с Подвижность дырок в эмиттере, pE, см2/В с Концентрация дырок в базе, pB, см-3 4 Подгоночные параметры Значение Амбиполярная диффузионная длина носителей в базе, La, мкм 5.Предэкспоненциальный множитель тока рекомбинации в ОПЗ, jor, А/см2 1.61 10-Диффузионная длина дырок в эмиттере, Lp, мкм 0.Скорость поверхностной рекомбинации, s, см/с ференциальное уравнение для плотности базового тока: Тогда полные базовый и эмиттерный токи могут быть рассчитаны следующим образом:

B j B + jB j B + j = 0. (4) kT IB = -ZEwB j B(xi)h + Isr, i Это уравнение отличается от известного уравнения Хаузера [46] наличием в нем третьего члена, учитываIE = ZE jE(xi)h, (7) ющего то обстоятельство, что в условиях оттеснения i тока локальный коэффициент усиления, зависящий от где h Ч шаг интегрирования по координате. Наконец, плотности эмиттерного тока, падает от края к центру для каждого значения тока коллектора IC IE, коэффиэмиттера:

циент усиления тока базы рассчитывается как B = IE/IB.

-1 -1 --1 rB + rE + rSCR В табл. 2 приведены параметры, использованные для расчетов.

w2 DpE jEw-1 -1 B -1 B rB = 0, rE, Подвижности носителей nB, pE и pB были взяты из 2L2 qD2NELpE a a работы [47]. Величина pB рассчитывалась из уравнения jor -электронейтральности:

rSCR =. (5) jE jod EF NA Здесь rB Ч коэффициент усиления, ограниченный реpB = Nv exp =, (8) kT EA- EF комбинацией в объеме базы, rE Ч коэффициент усиле1 + 2exp kT ния, ограниченный уменьшением коэффициента инжекции эмиттера при высоком уровне инжекции (NE Ч где EF Ч положение уровня Ферми в нейтральном концентрация доноров в эмиттерном слое, DpE Чкообъеме относительно валентной зоны, Nv Ч эффекэффициент диффузии дырок в эмиттере, LpE Ч диффутивная плотность состояний в валентной зоне, EA Ч зионная длина дырок в эмиттере, wB Ч толщина базы, энергия ионизации акцепторов, NA Ч концентрация акDa Ч коэффициент амбиполярной диффузии носителей цепторов. При NA = 2.5 1017 см-3, Nv = 2.5 1019 см-3, в базе), rSCR Ч коэффициент усиления, ограниченный EA = 0.19 эВ рассчитанная величина pB составила рекомбинацией носителей в ОПЗ эмиттерного перехода.

4 1016 см-3 при 300 K. Все другие параметры выбираТок поверхностной рекомбинации, зависящий от плотлись таким образом, чтобы наилучшим образом аппрокности тока на краю эмиттера, рассчитывался по формуле симировать экспериментальную зависимость B(IC). Как видно из рис. 10, a, на котором показаны результаты jE(0)sw2 ZE B Isr =, (6) расчетов, предложенная модель хорошо аппроксимирует 2Da экспериментальные данные во всем диапазоне изменегде s Ч скорость поверхностной рекомбинации, ZE Ч ния тока коллектора. Максимальный экспериментально ширина дорожки эмиттера. Для численного интегри- измеренный коэффициент усиления транзистора оказалрования уравнения (4) использовался метод Рунге - ся почти в 3 раза меньше ДвнутреннегоУ коэффициента Кутты. Уравнения (5) решались, на каждом шаге ин- усиления, который ограничен только рекомбинацей в тегрирования, методом дихотомии. Одно из граничных объеме базы: Bin 2L2/WB = 65. На рис. 10, a построa условий вполне очевидно Ч плотность тока базы посе- ены три кривые, показывающие по отдельности вклад в редине эмиттерной дорожки равна нулю: jB(LE/2) =0. зависимость B(IC) рекомбинации в ОПЗ, поверхностной Варьируя величину j B (в качестве второго граничного рекомбинации и рекомбинации в области эмиттера.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |    Книги по разным темам