Picosecond-Range Avalanche Switching of High-Voltage Diodes: Si Versus GaAs Structures

Abstract

We present a comparative study of Si and GaAs high-voltage diodes operated in the delayed impact ionization breakdown mode. We use an experimental setup that allows measuring current and voltage on the diode simultaneously and independently during a 100-ps high-voltage switching transient. Si and GaAs structures with identical geometries and a stationary breakdown voltage of ∼1 kV were investigated. All devices trigger at close to 2 kV and are capable of forming a voltage ramp with a kilovolt amplitude and a 100-ps rise time. We found that Si p + nn + and p + pnn + structures differ in residual voltage: a relatively low residual voltage V res of 100-200 V was observed only for p + nn + structures, whereas for p + pnn + structures V res is about 1 kV. We report observing the lock-on effect in GaAs structures: after 100-ps avalanche switching GaAs diodes remain in a high conducting state as long as the applied voltage pulse lasts, whereas within the same time of 2 ns reference Si diodes fully recover the blocking capability.

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 .…”