Экспериментальное наблюдение задержанного ударно-ионизационного пробоя полупроводниковых структур без p-n-переходов

Abstract

We have experimentally studied the dynamics of impact-ionization switching in semiconductor structures without p – n junctions when subnanosecond high-voltage pulses are applied. Silicon n ^+– n – n ^+ type structures and volume ZnSe samples with planar ohmic contacts exhibit reversible avalanche switching to the conducting state within about 200 ps, which resembles the well-known phenomenon of delayed avalanche breakdown in reverse-biased p ^+– n – n ^+ diode structures. Experimental data are compared to the results of numerical simulations.

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 .…”

Субнаносекундноe ударно-ионизационное переключение кремниевых структур без p-n-переходов

“…Примыкающие к омическим контактам n + -слои имеют гауссов профиль легирования с максимальной концентрацией доно-ров 10 20 cm −3 и ширину 7 µm. Параметры n + −n + -структуры выбраны близкими к параметрам диодной p + −n−n + -структуры, исследованной в недавних экспериментах [7], которая имела такую же площадь, толщину и уровень легирования n-базы. Приложенный к структуре импульс напряжения V (t) аппроксимирован кусочно-линейной зависи-мостью…”