Etude d'un Si

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15508 (2022) Citer cet article

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Le commutateur à semi-conducteur multi-portes initié par la lumière (LIMS) est une sorte de dispositif électronique de puissance qui présente de nombreuses différences par rapport au thyristor traditionnel déclenché par une impulsion électrique. LIMS est déclenché par laser, le temps d'activation est plus petit et les interférences anti-électromagnétiques sont fortes. Le mode d'ouverture du LIMS est évidemment différent du thyristor traditionnel. Après le laser dans la zone de grille, un grand nombre d'électrons et de trous apparaîtront dans la région de la base P, les trous se rassemblent dans la zone de la base P dans la jonction PN J2 et les électrons se rassemblent dans la région de dérive N autour de la jonction PN J2 . La jonction PN J2 s'ouvrira en premier, puis la jonction PN J3 s'ouvrira. Le temps de retard des thyristors NPN et PNP est proche de zéro lorsque l'impulsion laser est étroite et que la puissance de crête est élevée, de sorte que la vitesse d'activation est rapide. Pour optimiser les caractéristiques du LIMS à haute température, nous proposons une nouvelle structure du LIMS avec l'optimisation de la couche n+, de la grille de lumière circulaire et de la terminaison de bord de nouveau style. Le diamètre du LIMS est de 23 mm. Les résultats de l'expérience montrent que le courant de fuite du LIMS proposé a été réduit de plus de 1 mA à 500 μA à 125 °C, le courant de sortie du LIMS est de 10,2 kA avec une tension de 4 kV à 85 °C, et le le courant de sortie du LIMS est de 12,1 kA avec une tension de 4 kV à − 55 °C. De plus, di/dt est supérieur à 30 kA/μs.

En tant que commutateurs à semi-conducteurs les plus puissants, les thyristors déclenchés électriquement et déclenchés par la lumière sont les dispositifs de choix pour les applications d'alimentation à ultra-haute tension, telles que la transmission de courant continu haute tension (HVDC) ou l'application d'alimentation pulsée1,2,3,4,5 . Comparé au thyristor à déclenchement électrique, le thyristor à déclenchement lumineux présente plus d'avantages en simplifiant le circuit de commande et en améliorant la compatibilité électromagnétique6. Cependant, dans le système d'alimentation pulsée ultra-élevé, comme pour les applications railgun, le temps d'activation est court et le di / dt du thyristor est élevé, ce qui empêche les thyristors traditionnels à déclenchement électrique et à déclenchement par la lumière de remplir l'exigence ci-dessus. En conséquence, le commutateur à semi-conducteur multi-portes initié par la lumière (LIMS) a été proposé. LIMS est une sorte de dispositif électronique de puissance qui présente de nombreuses différences par rapport aux thyristors traditionnels déclenchés par des impulsions électriques ou lumineuses. Le LIMS est déclenché par des lasers et la vitesse d'activation est rapide, où le di/dt est supérieur à 60 kA/μs.

Cependant, la structure du LIMS est similaire au thyristor, qui contient quatre couches de dopage différent, formant un transistor bipolaire NPN et PNP. Sous des températures de fonctionnement élevées, le courant de fuite du LIMS augmentera amplifié par les gains du transistor, conduisant à la mise en marche parasite du thyristor. Cela dégradera le fonctionnement de l'application dans certains cas, comme pour les applications militaires, utilitaires et aérospatiales6,7.

L'étude montre que le courant de fuite des thyristors à haute température peut également provenir de courants de surface au niveau de la borne de la puce8. Ensuite, des techniques de terminaison de bord et de passivation adéquates sont nécessaires pour minimiser le courant de fuite, représentant une partie importante du courant de fuite total dans le LIMS.

Dans cet article, une nouvelle structure du LIMS avec l'optimisation de la couche n +, de la porte circulaire et de la terminaison de bord de nouveau style a été proposée, le diamètre du LIMS étant de 23 mm. Le courant de fuite du LIMS proposé est d'environ 500 μA à 125 °C, et le courant de sortie du LIMS est de 10,2 kA avec une tension de 4 kV à 85 °C.

La figure 1a est la structure de la puce Si LIMS traditionnelle. Le LIMS est presque identique à la structure du thyristor, à l'exception de la zone de gâchette, pour exciter plus de porteurs par des photons. Cependant, le mode d'ouverture du LIMS est évidemment différent du thyristor à déclenchement électrique traditionnel. Une fois le laser pointé dans la zone déclenchée par la lumière, de nombreux électrons et trous apparaîtront dans la région de la base P, des trous se rassembleront autour de la base P dans la jonction PN J2 et des électrons se rassembleront dans la région de dérive N autour de la jonction PN. J2. Lorsque l'impulsion laser est étroite et que la puissance de crête est élevée, le thyristor NPN s'ouvrira avant le thyristor PNP, mais le temps de retard des thyristors NPN et PNP est minime. Lorsque l'énergie laser en unité de temps (énergie laser et largeur d'impulsion) convient, le thyristor PNP et le thyristor NPN s'ouvriront en même temps. Par conséquent, la vitesse d'activation du LIMS est rapide.

Structure de la puce Si LIMS traditionnelle (a) et de la puce Si LIMS optimisée (b).

Le courant I du LIMS peut être exprimé par l'équation suivante9

Ici, Io est le courant déclenché par la lumière, et tnpn et tpnp sont les temps de transport des porteurs au niveau de la base p et de la zone de dérive n, respectivement.

où Wp et Wn sont les épaisseurs de p-base et n-drift, respectivement ; Wdn est l'épaisseur de la couche d'appauvrissement ; et Dn et Dp sont les coefficients de diffusion de l'électron et du trou, respectivement.

Le di/dt du LIMS peut être exprimé par l'équation suivante9 :

Le di/dt est lié au courant déclenché par la lumière, à l'épaisseur de la base p, à la dérive n et à la couche d'appauvrissement.

Le courant de fuite clé du LIMS peut être exprimé par l'équation suivante10 :

Ici, Lp est la longueur de diffusion du trou, ND est la concentration de dopant de la dérive n, ni est la concentration de porteur intrinsèque et τ est la durée de vie du porteur. On peut voir que, à partir des Eqs. (3) et (4), le courant de fuite et di/dt seront affectés par Wdn et Dp. Lp, ND et τ affecteront le courant de fuite, et Dp, Lp, ND et τ sont tous liés à la température T. Par conséquent, le courant de fuite et di/dt à haute température doivent être pris en compte de manière exhaustive lors du réglage des paramètres du Puce LIMS.

Sur la base de la théorie ci-dessus, le courant de fuite et la vitesse d'activation (di / dt) sont liés à l'épaisseur de la couche d'appauvrissement, une nouvelle structure du LIMS avec l'optimisation de la couche n + et une grille circulaire, donc le nouveau Une terminaison de bord de style a été proposée11. Pour diminuer le courant de fuite à haute température, la couche n− (i) a été insérée entre la base p et la dérive n, et la couche de passivation (SiO2) a été ajoutée à la terminaison biseautée, ce qui diminuera l'état de surface densité.

Pour augmenter la vitesse d'activation (di/dt), une structure d'électrode déclenchée par plusieurs lumières de cathode pour LIMS a été proposée, comme le montrent les Fig. 1b et 2. L'étude montre que la distance l (Fig. 1b) de la couche n+ s'étend du bord de l'électrode cathodique à la zone déclenchée par la lumière, affectant la valeur de crête du courant lorsque le di/dt est élevé. En conséquence, l'optimisation de la couche n+ est importante pour les caractéristiques du LIMS.

Structure d'électrode de cathode pour le LIMS (la zone verte est l'électrode de cathode et l'autre est la zone déclenchée par la lumière).

Le LIMS a été modélisé avec Sentaurus. Dans la simulation, la structure, comme le montre la figure 1b, a été modélisée en dimensions 2D. Pour le LIMS optimisé, l'épaisseur et la concentration en dopant de la couche n+ sont respectivement de 10 μm et 1 × 1020 cm−3. L'épaisseur et la concentration en dopant de la couche de base p sont respectivement de 35 μm et 2 × 1017 cm−3. L'épaisseur et la concentration de dopants de la couche n- sont de 100 μm et 4 × 1012 cm−3, tandis que celles de la couche de dérive n sont de 800 μm et 1,2 × 1013 cm−3, respectivement. De plus, l'épaisseur et la concentration en dopant de la couche p+ sont respectivement de 15 μm et 6 × 1017 cm−3. La distance l (Fig. 1b) de la couche n+ s'étendant du bord de l'électrode cathodique à la zone déclenchée par la lumière est d'environ 30 μm. De plus, la couche de passivation (SiO2) a été ajoutée à la terminaison biseautée.

De plus, le courant anodique a été simulé en résolvant les équations du modèle en coordonnées cylindriques. La fenêtre optique et l'électrode cathodique sont représentées sur la figure 2. La source optique monochromatique a été réglée pour être uniformément irradiée vers les fenêtres optiques.

La figure 3 présente les résultats de la simulation. Les résultats de simulation de la Fig. 3 montrent que le courant de fuite du LIMS avec l'optimisation de la couche n+, de la porte circulaire et de la terminaison de bord de style nouveau est de 480 μA avec une tension continue de 5 kV et une température de 125 °C (le courant de fuite du thyristor traditionnel de la Fig. 1a est supérieur à 1 mA, comme illustré à la Fig. 3).

Résultat de la simulation du courant de fuite pour le LIMS traditionnel et optimisé.

Le LIMS Si utilisé dans cet article était dans une structure n + pn - np +, avec la représentation schématique illustrée à la Fig. 1b. L'épaisseur et la concentration en dopants de la couche n+, de la couche de base p, de la couche n-, de la couche de dérive n, de la couche p+ pour le LIMS sont les mêmes que celles décrites dans la section "Simulation". La distance l de la couche n+ s'étendant du bord de l'électrode de cathode à la zone déclenchée par la lumière est d'environ 30 μm. La figure 4 présente l'image du LIMS Si préparé, le diamètre de la puce LIMS étant de 23 mm.

Image de la puce Si LIMS.

La figure 5 est le schéma de principe du circuit pour évaluer les caractéristiques de commutation du LIMS. Dans la figure, C représente le condensateur de stockage (1 μF), Rcharge est la résistance de charge (1 kΩ), Rc est la résistance de charge et Lc est l'inductance parasite. Ici, Rc correspond à la résistance de LIMS et Load. Lc est l'inductance parasite, qui provient du câblage de mise en page du LIMS et d'autres appareils. Une LD de 980 nm (avec une énergie laser de 120 μJ et une largeur d'impulsion de 200 ns) a été utilisée comme source de lumière pour déclencher le Si LIMS. Les mesures de courant de sortie à travers le LIMS ont été effectuées à l'aide d'une bobine de Rogowski dont la sensibilité et le temps de réponse étaient respectivement de 0,1 V/A et 2,2 ns. La mesure de la tension d'entrée a été mesurée avec la sonde haute tension Tektronix P6015A.

Schéma de circuit pour évaluer les caractéristiques de commutation du LIMS.

Comme le montre la figure 5, le condensateur C se charge pendant que le LIMS est maintenu à l'état bloqué et se décharge via un circuit RLC lorsque le LIMS est déclenché.

À haute température (125 ° C), le courant de fuite du LIMS préparé a été mesuré et est d'environ 500 μA avec une tension continue de 5 kV (le courant de fuite du thyristor traditionnel est supérieur à 1 mA). Si le courant de fuite du LIMS est élevé, une partie du courant de charge du condensateur est déviée par le LIMS et circule dans le circuit RLC, ce qui allonge le temps nécessaire pour charger le condensateur.

Ensuite, la caractéristique d'activation du LIMS est mesurée. La figure 6a présente les formes d'onde de décharge du LIMS avec une tension de 4 kV à température ambiante. Il montre que, d'après la figure 6a, la valeur de crête du courant de sortie est d'environ 10,4 kA et di/dt est de 35 kA/μs.

Formes d'onde de décharge du LIMS avec une tension de 4 kV à température ambiante (a), à 125 °C (b), à 85 °C (c) et à − 55 °C (d).

La figure 6b affiche les formes d'onde de décharge du LIMS avec une tension de 4 kV à 125 ° C (ici, le condensateur C de la figure 5 est de 0, 1 μF). Sur la figure 6b, la valeur de crête du courant de sortie est d'environ 2 kA et di/dt est de 12 kA/μs. La figure 6c montre les formes d'onde de décharge du LIMS avec une tension de 4 kV à 85 ° C. Sur la figure 6c, la valeur de crête du courant de sortie est d'environ 10,2 kA et di/dt est d'environ 30 kA/μs.

Les caractéristiques du LIMS à basse température de − 55 °C ont également été mesurées. Les formes d'onde de décharge sont représentées sur la figure 6d. La valeur crête du courant de sortie est d'environ 12,1 kA et di/dt est d'environ 43 kA/μs.

La conclusion peut être faite que le LIMS préparé peut fonctionner régulièrement à des températures élevées, le courant de fuite est d'environ 500 μA à 125 °C et le courant de sortie peut atteindre 10,2 kA à 85 °C (di/dt est supérieur à 30 kA/ μs).

Pour optimiser les caractéristiques du LIMS à haute température, nous proposons une nouvelle structure de LIMS avec l'optimisation de la couche n+, de la grille de lumière circulaire et de la terminaison de bord de nouveau style, le diamètre du LIMS étant de 23 mm. Les résultats expérimentaux montrent que le courant de fuite du LIMS proposé a été réduit de plus de 1 mA à 500 μA à 125 °C, le courant de sortie du LIMS est de 10,2 kA avec une tension de 4 kV à 85 °C, et le le courant de sortie du LIMS est de 12,1 kA avec une tension de 4 kV à − 55 °C. De plus, di/dt est supérieur à 30 kA/μs. Le LIMS a un large potentiel d'application dans les domaines de la transmission HVDC ou de la puissance pulsée.

Les données qui composent la Fig. 6 sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Grant No. 61504127 et 51807185).

Key Laboratory of Pulsed Power, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, PO Box 919-108, Mianyang, 621900, Chine

Chongbiao Luan, Hongwei Liu, Jiabin Fu, Yang He, Le Xu, Lingyun Wang, Jianqiang Yuan et Yupeng Huang

Institut de Noval Semiconduction, Université du Shandong, Jinan, 250100, Chine

Longfei Xiao et Zhuoyun Feng

State Key Laboratory of Crystal Materials, Université du Shandong, Jinan, 250100, Chine

Longfei Xiao et Zhuoyun Feng

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CL, HL et LW ont écrit le texte principal du manuscrit et YH a préparé les Fig. 1 et 2. Tous les auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance avec Jianqiang Yuan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Luan, C., Liu, H., Fu, J. et al. Etude d'un interrupteur à semi-conducteur multi-portes initié par la lumière à base de silicium pour hautes températures. Sci Rep 12, 15508 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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Reçu : 20 mars 2022

Accepté : 05 septembre 2022

Publié: 15 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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