Переходной процесс выключения 4H-SiC биполярного транзистора из режима глубокого насыщения

Abstract

В рамках одномерного численного моделирования исследованы основные физические процессы, опреде-ляющие переходной процесс выключения биполярного SiC-транзистора из режима глубокого насыщения. Исследован процесс выключения в режиме обрыва базового тока и в режиме выключения отрицательным (выключающим) током базы. Показано, что при вполне реалистических значениях выключающего базового тока время выключения может быть уменьшено в ∼ 40 раз по сравнению с временем выключения при нулевом базовом токе. Время задержки также может быть существенно, в несколько раз, сокращено. Отмечается, что в режиме глубокого насыщения, когда реализуется интенсивная модуляция проводимости коллекторного слоя, транзистор может работать в непрерывном режиме при весьма высокой плотности тока. ВведениеК мощным импульсным переключающим системам предъявляются все более жесткие требования с точки зрения предельных рабочих частот, размеров, плотности рассеиваемой мощности, предельных рабочих темпе-ратур и радиационной стойкости. Наиболее перспек-тивными переключающими приборами с точки зрения соответствия этим требованиям являются переключа-ющие приборы на основе 4H-SiC (см., например [1]). По сравнению с другими переключающими прибора-ми, такими, как полевые транзисторы с управляющим p−n-переходом (JFETs), MOSFETs и IGBTs биполярные транзисторы (БТ) на основе 4H-SiC обладают потенци-альным преимуществом очень низкого сопротивления в открытом состоянии (R on ). Малые значения R on могут быть реализованы за счет возможной модуляции кол-лектора неосновными носителями заряда и взаимной компенсации падения напряжения на встречно вклю-ченных p−n-переходах база−эмиттер и база−коллектор. Последнее обстоятельство для приборов на карбиде кремния является особенно существенным, поскольку встроенный потенциал 4H-SiC p−n-переходов весьма высок (≤ 2.85 В при реальных рабочих плотностях тока). С момента появления первых 4H-SiC БТ [2,3] достигнут существенный прогресс в увеличении коэф-фициента усиления, рабочего напряжения и рабочей площади приборов [4][5][6].Когда БТ используется в качестве мощного переклю-чателя, одним из наиболее важных параметров прибо-ра (при заданном рабочем блокируемом напряжении) является сопротивление R on . В большинстве опубли-кованных работ величина R on была равна или даже превышала величину сопротивления немодулированно-го коллекторного слоя (см., например, [7][8][9]). Тем не менее в нескольких работах была продемонстрирована возможность существенного снижения R on за счет моду-ляции сопротивления коллекторного слоя неосновными носителями, инжектированными в режиме насыщения из базового слоя структуры (см., например, [10,11]).Подробный анализ условий, необходимых для быст-рой и эффективной модуляции коллектора и существен-ного снижения R on , проделан в рамках одномерного моделирования в работах [12,13]. Показано, что заметное снижение сопротивления коллекторного слоя транзисто-ра и, как следствие, существенное снижение остаточного напряжения на приборе могут быть достигнуты при достаточно быстром включении транзистора, условием...