亚纳秒级SAS器件开通机理与开关特性研究

作     者：叶慧龙 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒲红斌

授予年度：2024年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：硅雪崩整形器 开通机理 开关特性 快速离化 等离子体 

摘      要：基于离化波理论的导通开关器件是一种开关速度快且重复频率高的开关器件,是当前固态脉冲功率开关器件的重点研究对象。目前,国际上尽管有硅雪崩整形器（SAS）产品出售,但是有关SAS工作机理的研究报道有限,且尚不统一。为此,本文采用TCAD器件仿真方法,系统研究了SAS的工作机理,分析了结构参数对SAS器件开通机理的影响,系统研究了结构参数、载流子寿命、温度、直流反偏压和触发脉冲对器件开关特性的影响。论文的主要研究内容和结论如下: 1.研究了SAS器件的开关机理与特性。器件在开通过程中,基区高场区先产生高浓度的等离子体屏蔽掉该区域的电场,随着外加电压的增加,基区其余区域也陆续产生等离子体,当整个基区充满等离子体时,器件完全开通;在电场抽取和载流子复合的作用下,器件逐渐关断。研究表明,对-1200 V偏压SAS器件施加反向触发脉冲（d V/dt=2 k V/ns）时,SAS器件经1 ns左右延迟后快速离化开通,器件的开通时间约为120 ps,在50Ω负载电阻上获取了近7倍于触发脉冲的输出脉冲上升率（d V/dt=13.9707 k V/ns）,并且器件在7.1159 ns左右恢复到阻断状态。 2.研究了SAS基区的导电类型、耐压结构类型和掺杂浓度对器件开通机理的影响。研究表明,N基区SAS的开通速度和输出脉冲上升率均大于P基区SAS;穿通型耐压结构SAS的开通速度和输出脉冲上升率均大于非穿通型耐压结构SAS;当基区掺杂浓度大于1014 cm-3时,器件开通机制由“准均匀离化模式向“电场逐步塌泄模式转换。 3.研究了SAS结构参数、载流子寿命、温度、直流反偏压和触发脉冲对器件工作特性的影响。结果表明,随着基区掺杂浓度的增加,器件的峰值电压和关断时间减小,开通时间和残余电压增大;随着基区厚度的增加,器件的峰值电压、开通时间、残余电压和关断时间均减小;随着横截面积的增加,器件的峰值电压、开通时间、残余电压均减小,关断时间先减小后增大;载流子寿命对器件开通特性影响很小,载流子寿命越大关断时间越长;当温度从250 K上升到450 K时,器件输出脉冲上升率降低了117.23%,关断时间延长了25.83%;直流反偏压越高,延迟开通时间和关断时间越短,较高的触发脉冲上升率可减小开通时间,但会对关断时间产生不利影响。