Delayed avalanche breakdown of high-voltage silicon diodes: Various structures exhibit different picosecond-range switching behavior

Abstract

We present a comparative study of silicon high-voltage diodes exhibiting the effect of delayed superfast impact-ionization breakdown. The effect manifests itself in a sustainable picosecond-range transient from the blocking to the conducting state and occurs when a steep voltage ramp is applied to the p+-n-n+ diode in the reverse direction. Nine groups of diodes with graded and abrupt pn-junctions have been specially fabricated for this study by different techniques from different Si substrates. Additionally, in two groups of these structures, the lifetime of nonequilibrium carriers was intentionally reduced by electron irradiation. All diodes have identical geometrical parameters and similar stationary breakdown voltages. Our experimental setup allows measuring both device voltage and current during the kilovolt switching with time resolution better than 50 ps. Although all devices are capable of forming a front with kilovolt amplitude and 100 ps risetime in the in-series load, the structures with graded pn-junctions have anomalously large residual voltage. The Deep Level Transient Spectroscopy study of all diode structures has been performed in order to evaluate the effect of deep centers on device performance. It was found that the presence of deep-level electron traps negatively correlates with parameters of superfast switching, whereas a large concentration of recombination centers created by electron irradiation has virtually no influence on switching characteristics.

Двойная Лавинная Инжекция В Диодных Лавинных Обострителях

“…1. Параметры исследуемой структуры отвечают диодным обострителям, исследованным экспериментально в работах [7][8][9]: площадь S = 1 мм 2 , толщина n-базы d = 100 мкм и концентрация легирующей примеси в n-базе N d = 1.7 · 10 14 см −3 . Напряжение стационарного лавинного пробоя такой диодной структуры составляет U a ≈ 1 кВ.…”

“…2) и состоял из переднего фронта с наносекундным временем нарастания, за которым следует плато амплитудой V plato . Импульс V (t) был составлен из колоколообразного импульса полушириной 1.5 нс и амплитудой 3.7 кВ, применяемого для инициации задержанного ударноионизационного пробоя в экспериментах [7][8][9], и плато субмикросекундной длительности (рис. 2).…”

“…3 показаны напряжение на приборе U(t) и ток I(t) для импульсов V (t) c различной ампли-тудой V plato , полученные в результате одномерного изотермического численного моделирования при комнатной температуре T = 300 K. Задержанный ударноионизационный пробой начинается в момент t = 6.9 нс, когда напряжение на диоде достигает 2.2 кВ, т. е. вдвое превосходит напряжение стационарного пробоя U a ≈ 1 кВ. За время ∼ 100 пс напряжение на диоде уменьшается от 2.2 кВ до 500 В, а ток в нагрузке увеличивается до 60 А. Расчетное время лавинного переключения и остаточное напряжение находятся в разумном согласии с экспериментальными результатами, полученными для колоколообразного импульса V (t) [7][8][9]. Средняя концентрация ЭДП в n-базе после переключения составляет 7 · 10 15 см −3 .…”

“…Иоффе [1], позволило увеличить мощность, коммутируемую полупроводниковыми приборами в субнаносекундном диапазоне, сразу на 5 порядков и привело к созданию новой научно-технической области: мощной импульсной полупроводниковой электроники субнаносекундного диапазона [2][3][4][5][6]. Это явление заключается в быстром (время переключения менее 100 пс) ударно-ионизационном переключении высоковольтной p + −n−n + -структуры в проводящее состояние под действием быстро нарастающего импульса обратного напряжения [1,3,[7][8][9]. В момент начала переключения достигается двукратное превышение напряжения на структуре по сравнению с напряжением стационарного лавинного пробоя U a .…”

Picosecond‐Range Avalanche Switching Initiated by a Steep High‐Voltage Pulse: Si Bulk Samples Versus Layered pn Junction Structures

“…Avalanche switching initiated by application of a steep voltage ramp to Si or GaAs layered structures with high‐voltage pn junction results in picosecond‐range switching transient (see refs. and references therein). This spectacular effect is known as delayed impact ionization breakdown because the switching starts when the voltage across the structure exceeds, typically twice, the stationary breakdown voltage, and hence develops later than expected .…”