estudio de un si

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15508 (2022) Citar este artículo

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El interruptor de semiconductor de puerta múltiple iniciado por luz (LIMS) es un tipo de dispositivo electrónico de potencia que tiene muchas diferencias con respecto al tiristor tradicional activado por pulso eléctrico. LIMS se activa con láser, el tiempo de encendido es menor y las interferencias antielectromagnéticas son fuertes. El modo de apertura de LIMS es obviamente diferente al tiristor tradicional. Después de que el láser entre en el área de la puerta, aparecerá una gran cantidad de electrones y huecos en la región de la base P, los huecos se acumularán en el área de la base P en la unión PN J2 y los electrones se acumularán en la región de deriva N alrededor de la unión PN J2. . El cruce PN J2 se abrirá primero, luego se abre el cruce PN J3. El tiempo de retardo de los tiristores NPN y PNP es cercano a cero cuando el pulso del láser es estrecho y la potencia máxima es alta, por lo que la velocidad de encendido es rápida. Para optimizar las características del LIMS a altas temperaturas, proponemos una nueva estructura del LIMS con la optimización de la capa n+, la puerta de luz circular y la terminación de borde de nuevo estilo. El diámetro del LIMS es de 23 mm. Los resultados del experimento muestran que la corriente de fuga del LIMS propuesto ha disminuido de más de 1 mA a 500 μA a 125 °C, la corriente de salida del LIMS es de 10,2 kA con un voltaje de 4 kV a 85 °C y la La corriente de salida del LIMS es de 12,1 kA con una tensión de 4 kV a −55 °C. Además, di/dt es superior a 30 kA/μs.

Como los interruptores semiconductores más potentes, los tiristores activados eléctricamente y activados por luz son los dispositivos elegidos para aplicaciones de energía de voltaje ultra alto, como la transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) o la aplicación de energía pulsada1,2,3,4,5 . En comparación con el tiristor activado eléctricamente, el tiristor activado por luz tiene más ventajas en la simplificación del circuito del controlador y la mejora de la compatibilidad electromagnética6. Sin embargo, en el sistema de potencia ultrapulsada, como para aplicaciones de cañón de riel, el tiempo de encendido es corto y el di/dt del tiristor es alto, lo que hace que los tiristores tradicionales activados eléctricamente y activados por luz no puedan cumplir el requisito anterior. En consecuencia, se ha propuesto el conmutador de semiconductores de puerta múltiple iniciado por luz (LIMS). LIMS es un tipo de dispositivo electrónico de potencia que posee muchas diferencias con los tiristores tradicionales activados por pulsos eléctricos o de luz. El LIMS es activado por láseres y la velocidad de encendido es rápida, donde el di/dt es superior a 60 kA/μs.

Sin embargo, la estructura del LIMS es similar a la del tiristor, que contiene cuatro capas de diferente dopaje, formando un transistor bipolar NPN y otro PNP. Bajo altas temperaturas de funcionamiento, la corriente de fuga del LIMS aumentará amplificada por las ganancias del transistor, lo que provocará el encendido parásito del tiristor. Esto degradará el funcionamiento de la aplicación en algunos casos, como para aplicaciones militares, de servicios públicos y aeroespaciales6,7.

El estudio muestra que la corriente de fuga del tiristor a altas temperaturas también puede provenir de corrientes superficiales en el terminal del chip8. Entonces, son necesarias técnicas adecuadas de terminación de borde y pasivación para minimizar la corriente de fuga, que representa una parte significativa de la corriente de fuga total en el LIMS.

En este documento, se ha propuesto una nueva estructura del LIMS con la optimización de la capa n+, la puerta circular y la terminación de borde de nuevo estilo, con un diámetro del LIMS de 23 mm. La corriente de fuga del LIMS propuesto es de aproximadamente 500 μA a 125 °C, y la corriente de salida del LIMS es de 10,2 kA con un voltaje de 4 kV a 85 °C.

La figura 1a es la estructura del chip LIMS de Si tradicional. El LIMS es casi idéntico a la estructura del tiristor, excepto por el área de la puerta, para excitar más portadores por fotones. Sin embargo, el modo de apertura del LIMS es obviamente diferente del tradicional tiristor disparado eléctricamente. Después de que el láser apunte hacia el área activada por la luz, aparecerán muchos electrones y huecos en la región de la base P, los huecos se acumularán alrededor de la base P en la unión PN J2 y los electrones se acumularán en la región de deriva N alrededor de la unión PN. J2. Cuando el pulso láser es estrecho y la potencia máxima es alta, el tiristor NPN se abrirá antes que el tiristor PNP, pero el tiempo de retardo de los tiristores NPN y PNP es mínimo. Cuando la energía del láser en la unidad de tiempo (energía del láser y ancho de pulso) es adecuada, el tiristor PNP y el tiristor NPN se abrirán al mismo tiempo. Por lo tanto, la velocidad de activación del LIMS es rápida.

Estructura del chip LIMS de Si tradicional (a) y el chip LIMS de Si optimizado (b).

La corriente I del LIMS se puede expresar mediante la siguiente ecuación9

Aquí, Io es la corriente activada por la luz, y tnpn y tpnp son los tiempos de transporte de los portadores en el área de base p y deriva n, respectivamente.

donde Wp y Wn son los espesores de la base p y la deriva n, respectivamente; Wdn es el espesor de la capa de agotamiento; y Dn y Dp son los coeficientes de difusión del electrón y el hueco, respectivamente.

El di/dt del LIMS se puede expresar mediante la siguiente ecuación9:

El di/dt está relacionado con la corriente activada por la luz, el grosor de la base p, la deriva n y la capa de agotamiento.

La corriente de fuga clave del LIMS se puede expresar mediante la siguiente ecuación10:

Aquí, Lp es la longitud de difusión del agujero, ND es la concentración de dopante de la deriva n, ni es la concentración intrínseca del portador y τ es la vida útil del portador. Se puede ver que, a partir de las Ecs. (3) y (4), la corriente de fuga y di/dt se verán afectadas por Wdn y Dp. Lp, ND y τ afectarán la corriente de fuga, y Dp, Lp, ND y τ están todos relacionados con la temperatura T. Por lo tanto, la corriente de fuga y di/dt a alta temperatura deben considerarse de manera integral al establecer los parámetros del chip LIMS.

Con base en la teoría anterior, la corriente de fuga y la velocidad de encendido (di/dt) están relacionadas con el espesor de la capa de agotamiento, una nueva estructura del LIMS con la optimización de la capa n+ y la puerta circular, por lo que la nueva Se ha propuesto una terminación de borde de estilo 11. Para disminuir la corriente de fuga a altas temperaturas, se ha insertado la capa n− (i) entre la base p y la deriva n, y se ha agregado la capa de pasivación (SiO2) en la terminación biselada, lo que disminuirá el estado de la superficie densidad.

Para aumentar la velocidad de encendido (di/dt), se ha propuesto una estructura de electrodos de cátodo activados por luz múltiple para LIMS, como se muestra en las Figs. 1b y 2. El estudio muestra que la distancia l (Fig. 1b) de la capa n+ se extiende desde el borde del electrodo del cátodo hasta el área activada por la luz, lo que afecta el valor máximo de la corriente cuando el di/dt es alto. En consecuencia, la optimización de la capa n+ es importante para las características del LIMS.

Estructura del electrodo del cátodo para el LIMS (el área verde es el electrodo del cátodo y la otra es el área activada por la luz).

El LIMS fue modelado con Sentaurus. En la simulación, la estructura, como se muestra en la Fig. 1b, se modeló en dimensiones 2D. Para el LIMS de optimización, el espesor y la concentración de dopante de la capa n+ son 10 μm y 1 × 1020 cm−3, respectivamente. El espesor y la concentración de dopante de la capa base p son 35 μm y 2 × 1017 cm−3, respectivamente. El espesor y la concentración de dopante de la capa n- son 100 μm y 4 × 1012 cm-3, mientras que los de la capa n-deriva son 800 μm y 1,2 × 1013 cm-3, respectivamente. Además, el espesor y la concentración de dopante de la capa p+ son 15 μm y 6 × 1017 cm−3, respectivamente. La distancia l (Fig. 1b) de la capa n+ que se extiende desde el borde del electrodo del cátodo hasta el área activada por la luz es de aproximadamente 30 μm. Además, se ha añadido la capa de pasivación (SiO2) en la terminación biselada.

Además, la corriente del ánodo se simuló resolviendo ecuaciones modelo en coordenadas cilíndricas. La ventana óptica y el electrodo de cátodo se muestran en la Fig. 2. La fuente óptica monocromática se ajustó para irradiar uniformemente a las ventanas ópticas.

La figura 3 presenta los resultados de la simulación. Los resultados de la simulación en la Fig. 3 muestran que la corriente de fuga del LIMS con la optimización de la capa n+, la compuerta circular y la terminación de borde de estilo nuevo es de 480 μA con un voltaje de CC de 5 kV y una temperatura de 125 °C. (la corriente de fuga del tiristor tradicional de la Fig. 1a es superior a 1 mA, como se muestra en la Fig. 3).

Resultado de la simulación de corriente de fuga para el LIMS tradicional y el optimizacional.

El LIMS de Si utilizado en este documento tenía una estructura n+pn−np+, con la representación esquemática que se muestra en la Fig. 1b. El espesor y la concentración de dopante de la capa n+, la capa base p, la capa n−, la capa de deriva n, la capa p+ para el LIMS son los mismos que se describen en la sección "Simulación". La distancia l de la capa n+ que se extiende desde el borde del electrodo del cátodo hasta el área activada por la luz es de aproximadamente 30 µm. La Figura 4 presenta la imagen del Si LIMS preparado, con un diámetro del chip LIMS de 23 mm.

Imagen del chip Si LIMS.

La figura 5 es el diagrama de circuito esquemático para evaluar las características de conmutación del LIMS. En la figura, C representa el capacitor de almacenamiento (1 μF), Rcharge es la resistencia de carga (1 kΩ), Rc es la resistencia de carga y Lc es la inductancia parásita. Aquí, Rc corresponde a la resistencia de LIMS y Load. Lc es la inductancia parásita, que se origina en el diseño del cableado del LIMS y otros dispositivos. Se usó un LD de 980 nm (con una energía láser de 120 μJ y un ancho de pulso de 200 ns) como fuente de luz para activar el Si LIMS. Las medidas de corriente de salida a través del LIMS se realizaron utilizando una bobina de Rogowski cuya sensibilidad y tiempo de respuesta fue de 0,1 V/A y 2,2 ns, respectivamente. La medición del voltaje de entrada se midió con la sonda de alto voltaje Tektronix P6015A.

Diagrama de circuito esquemático para evaluar las características de conmutación del LIMS.

Como se muestra en la Fig. 5, el capacitor C se carga mientras el LIMS se mantiene apagado y se descarga a través de un circuito RLC cuando se activa el LIMS.

A alta temperatura (125 °C), se ha medido la corriente de fuga del LIMS preparado y es de unos 500 μA con una tensión de CC de 5 kV (la corriente de fuga del tiristor tradicional es superior a 1 mA). Si la corriente de fuga del LIMS es alta, parte de la corriente para la carga del capacitor es desviada por el LIMS y fluye a través del circuito RLC, lo que resulta en un mayor tiempo requerido para cargar el capacitor.

Luego, se mide la característica de encendido del LIMS. La Figura 6a presenta las formas de onda de descarga del LIMS con un voltaje de 4 kV a temperatura ambiente. Muestra que, a partir de la Fig. 6a, el valor máximo de la corriente de salida es de aproximadamente 10,4 kA y di/dt es de 35 kA/μs.

Formas de onda de descarga del LIMS con un voltaje de 4 kV a temperatura ambiente (a), a 125 °C (b), a 85 °C (c) y a -55 °C (d).

La figura 6b muestra las formas de onda de descarga del LIMS con un voltaje de 4 kV a 125 °C (aquí, el capacitor C en la figura 5 es de 0,1 μF). En la Fig. 6b, el valor máximo de la corriente de salida es de aproximadamente 2 kA y di/dt es de 12 kA/μs. La Figura 6c muestra las formas de onda de descarga del LIMS con un voltaje de 4 kV a 85 °C. En la Fig. 6c, el valor máximo de la corriente de salida es de aproximadamente 10,2 kA y di/dt es de aproximadamente 30 kA/μs.

También se han medido las características del LIMS a la baja temperatura de -55 °C. Las formas de onda de descarga se muestran en la Fig. 6d. El valor máximo de la corriente de salida es de aproximadamente 12,1 kA y di/dt es de aproximadamente 43 kA/μs.

Se puede concluir que el LIMS preparado puede funcionar de manera constante a altas temperaturas, la corriente de fuga es de aproximadamente 500 μA a 125 °C y la corriente de salida puede alcanzar los 10,2 kA a 85 °C (di/dt es mayor que 30 kA/ μs).

Para optimizar las características de LIMS a altas temperaturas, proponemos una nueva estructura de LIMS con la optimización de la capa n+, la puerta de luz circular y la terminación de borde de nuevo estilo, con un diámetro de LIMS de 23 mm. Los resultados experimentales muestran que la corriente de fuga del LIMS propuesto ha disminuido de más de 1 mA a 500 μA a 125 °C, la corriente de salida del LIMS es de 10,2 kA con un voltaje de 4 kV a 85 °C y la La corriente de salida del LIMS es de 12,1 kA con una tensión de 4 kV a −55 °C. Además, di/dt es mayor que 30 kA/μs. El LIMS tiene un amplio potencial de aplicación en los campos de transmisión HVDC o potencia pulsada.

Los datos que componen la Fig. 6 están disponibles del autor correspondiente a petición razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 61504127 y 51807185).

Laboratorio clave de energía pulsada, Instituto de física de fluidos, Academia de ingeniería física de China, PO Box 919-108, Mianyang, 621900, China

Chongbiao Luan, Hongwei Liu, Jiabin Fu, Yang He, Le Xu, Lingyun Wang, Jianqiang Yuan y Yupeng Huang

Instituto de Semiconducción Noval, Universidad de Shandong, Jinan, 250100, China

Longfei Xiao y Zhuoyun Feng

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Longfei Xiao y Zhuoyun Feng

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CL, HL y LW escribieron el texto principal del manuscrito y YH preparó las Figs. 1 y 2. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jianqiang Yuan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Luan, C., Liu, H., Fu, J. et al. Estudio de un interruptor semiconductor multipuerta iniciado por luz basado en Si para altas temperaturas. Informe científico 12, 15508 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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Recibido: 20 de marzo de 2022

Aceptado: 05 septiembre 2022

Publicado: 15 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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