數值模擬研究半導體斷路開關的電流截斷特性

摘 要:半導體斷路開關(SOS)效應的發現，促進了全固態脈沖功率源技術的發展和應用。采用一維流體模型，利用SOS數值模擬程序對SOS二極管P+-P-N-N+結構的電流截斷特性進行了數值模擬研究。研究了SOS二極管P區擴散深度、外電路參數對SOS電流截斷特性的影響。結果表明:P區擴散深度、次級儲能電容C2、反向泵浦電感L-的大小對SOS的反向電流截斷時間均有較大影響;隨著次級儲能電容和反向泵浦電感的增大，電流截斷時間增大，反向電流峰值和反向電壓峰值減小。該研究對SOS二極管工藝設計和外電路優化設計具有理論意義和實用價值。

關鍵詞: 半導體斷路開關; 脈沖功率源; 數值模擬; 電流截斷特性

中圖分類號:TN389 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0179-03

Numerical Simulation of Current Interruption Characteristics in Semiconductor Cut-off Switches

YANG Hai-yan， ZHAO Xi-an

(Informatization Research Laboratory， Xi’an Military Academy， Xi’an 710108， China)

Abstract: The discovery of the semiconductor opening switch (SOS) effect promoted the development and applications of the all-solid-state pulsed power generator technology. A one-dimensional fluid model is adopted to study the current interuption characteristics of SOS diode P+-P-N-N+ structure by using SOS numerical simulation program. The influences of the diffusion depth in the diode P-type region on the current interruption characteristics of SOS diode is analyzed. The result shows that the influences of the diffusion depth of P-type region， reverse pulse inductance L-and secondary capacitor C2 in the external circuit on the reverse current interuption time of SOS is obvious， the peak values of reverse current and reverse voltage decreases with the increase of the secondary capacitor C2 and reverse pulse inductance L-. The results obtained in this thesis possesses a certain theoretical and practical significance for the SOS diode design and the external circuit optimization.

Keywords: semiconductor cut-off switch; pulsed power generator; numerical simulation; current interruption characteristics

1991年，以LYUBUTIN S K教授為首的俄羅斯愛卡特林堡電物理研究所的研究小組在對用于高壓整流的具有P+-P-N-N+結構二極管進行實驗時發現，在一定條件下，通過二極管的高密度電流在納秒級時間內被截斷的現象，稱之為半導體斷路開關效應[1](SOS)。SOS效應的發現，促進了全固態脈沖功率源技術的發展和應用?；赟OS二極管的脈沖功率源，具有納秒級電流截斷時間，可獲得數十kA的電流和mV級電壓的高功率脈沖，脈沖重復頻率可達kHz[2-3]。

1 半導體斷路開關的基本工作原理

圖1是半導體斷路開關的基本回路。通過SOS二極管的電流為ISOS;負載電阻RL上的電壓為VR;電容C1上的初始電壓為U0。

在正向泵浦階段，開關S+閉合，S-斷開，初級儲能電容C1通過正向泵浦電感L+，SOS對次級儲能電容C2充電。在這一階段，通過SOS的正向電流先達到最大值，再逐漸回到電流為零的狀態，通過負載RL的電流在正向泵浦階段為零。當正向泵浦電流通過SOS時，在SOS的P+-P-N-N+結構中，空穴從P+區，電子從N+區注入P-N結，在P+-P-N-N+結的高摻雜邊界區積累了大量的空間電荷，使得在P區和N區積累的載流子濃度超過初始摻雜濃度兩個數量級，為反向期間的電流截斷做準備。

圖1 半導體斷路開關正、反向泵浦電路

在反向泵浦階段，開關S+斷開，S-閉合，電容C2通過反向泵浦電感L-，SOS和負載RL放電。由于在P+-P-N-N+結的高摻雜邊界區積累了大量的空間電荷，當電流反向時的前半時期，高摻雜P+區吸收空穴，高摻雜N+區吸收電子，從而在P+-P邊界附近的P+區和N-N+邊界附近的N+區形成了兩個過剩等離子體濃度波，大部分在正向泵浦階段所積累的空間電荷被抽出，使通過SOS的反向電流在很短的時間內達到峰值。當累積的空間電荷達到最小值時，通過SOS的反向電流開始被快速截斷，SOS上的電壓迅速上升，負載RL上得到很高的電壓脈沖。由于SOS器件內部反向電流對載流子的抽取，使得SOS的反向電流迅速下降，并在幾十ns后達到關斷狀態，從而在SOS開關上形成斷路，這就是SOS的反向電流截斷過程。在SOS的斷路瞬間，L-中的電流將流過負載RL，從而在負載RL上產生瞬時的短脈沖電流[4-5]。

采用一維流體模型，利用SOS數值模擬程序，通過數值模擬計算[6]，研究了P區擴散深度和外電路參數對SOS二極管電流截斷特性的影響。

2 P區擴散深度對電流截斷過程的影響

通過數值模擬計算，在其他結構參數及電路參數不變的條件下，當P區鋁的擴散深度XP從60 μm加深到130 μm時，電場強度的峰值也隨著擴散深度的變化相應地從125 μm處移動到175 μm處，正向電流泵浦時間tI+、反向電流泵浦時間tI-、電流截斷時間tbk、正向電流峰值IFm、反向電流峰值Imax、正向電壓峰值VFm和反向電壓峰值Vmax等性能的變化如表1所示。

表1 p區擴散深度對SOS電流截斷過程的影響

Xp /μmtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

60415150181.3-3.89.0-91.5

70415140141.1-3.89.0-93.0

80415125131.1-3.99.1-94.0

90415123121.0-3.99.1-94.1

100415125121.0-3.99.1-94.5

110415128121.0-3.99.1-95.0

120415136111.0-3.99.1-95.0

130415136111.0-3.99.1-95.0

隨著P區擴散深度的增加，二極管的基區寬度減小，從而導致在正向泵浦階段，SOS結構的能量耗散降低，使得反向泵浦電容C2上的電壓上升，因此在反向泵浦階段，反向電流密度將增大;同時由于P摻雜區變寬，P區內的平均電子載流子密度下降，因此電子擴散速度變大，少子的復合機會也更大，使反向電流截斷時間tbk隨P區擴散深度的增加而下降，反向電流截斷時間的減小引起反向電壓峰值Vmax的增大[7-8]。

3 外電路對電流截斷過程的影響

通過數值模擬計算，研究了外部電路參數的變化對SOS二極管電流截斷過程的影響[9]。在結構參數及控制參數不變的條件下，通過分別改變外電路參數中電感L+，L-的值、電容C1，C2的值和負載電阻RL的值來觀察它對電流截斷過程的影響。

3.1 電感L+，L-的值對電流截斷過程的影響

當改變電感L+時，通過數值模擬計算可得表2所示電感L+對電流截斷過程的影響。隨著電感L+的增大，SOS的正向電流泵浦時間增大，正向電流峰值和正向電壓峰值逐漸減小，反向電流峰值和反向電壓峰值緩慢增大，反向電流截斷時間變化不大。

表2 電感L+對電流截斷過程的影響

L+ /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

1138127152.85-3.4525.1-85.1

5298117121.35-3.5512.5-90.0

10420125111.00-3.609.5-91.0

15510140130.82-3.628.0-92.0

20585115130.72-3.627.0-92.0

當改變電感L-時，經數值模擬計算，電感L-的變化對反向電流截斷過程的影響如表3所示。從表3可以看出，隨著電感L-的增大，SOS的反向電流泵浦時間和反向電流截斷時間增大，反向電流峰值和反向電壓峰值逐漸減小。

表3 電感L-對電流截斷過程的影響

L- /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

1415130111.0-3.69.5-91.5

2415145141.0-2.69.5-64.0

3415150171.0-2.09.5-54.0

4415180351.0-1.79.5-50.0

5415200401.0-1.69.5-44.0

6415210451.0-1.59.5-42.0

7415220601.0-1.49.5-40.0

8415230651.0-1.29.5-40.0

9415280701.0-1.49.5-35.0

10415285751.0-1.19.5-30.0

上述模擬結果表明，電感L+的大小主要影響SOS的正向電流泵浦時間、正向電流峰值和正向電壓峰值的大小，對反向電流截斷時間影響不大。電感L-的大小主要影響SOS的反向電流泵浦時間、反向電流截斷時間、反向電流峰值和反向電壓峰值的大小，以及反向電流的上升速率。

3.2 電容C1，C2的值對電流截斷過程的影響

在改變電容C1時，通過數值模擬計算可得電容C1的變化對電流截斷過程的影響如表4所示。從表4可以看出，隨著電容C1的增大，SOS的正向電流泵浦時間、反向電流泵浦時間、正向電流峰值和正向電壓峰值逐漸增大，而反向電流峰值和反向電壓峰值則增加較快。

表4 電容C1對電流截斷過程的影響

C1 /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

2.2370120110.9-2.99.0-72.0

3.4415130111.0-3.69.5-91.5

5.1460145111.2-4.31.0-110.0

10510165111.3-5.21.0-132.0

22550130111.4-5.91.0-150.0

在改變電容C2時，通過數值模擬計算可得電容C2的變化對電流截斷過程的影響如表5所示。通過調節電容C2的大小，可改變SOS二極管正向電流泵浦時間、反向電流泵浦時間、反向電流截斷時間、正向電流峰值、反向電流峰值和反向電壓峰值的大小。

表5 電容C2對電流截斷過程的影響

C2 /μHtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

2.2370100100.85-3.69.4-94.0

3.4415130111.00-3.69.5-91.5

5.1460150131.15-3.59.5-85.0

10510165201.30-3.09.8-68.0

22550/251.42-2.29.6-47.0

上述模擬結果表明，電容C1的大小不但影響SOS的正向電流泵浦時間、正向電流峰值和正向電壓峰值的大小，也影響反向電流峰值和反向電壓峰值的大小，對反向電流截斷時間影響不大。電容C2的大小主要影響SOS的反向電流泵浦時間、反向電流截斷時間、反向電流峰值和反向電壓峰值的大小，以及反向電流的上升速率。

3.3 負載對電流截斷過程的影響

在改變負載電阻RL時，通過數值模擬計算，負載電阻RL的變化對電流截斷過程的影響如表6所示。

表6 負載RL對電流截斷過程的影響

RL /ΩtI+ /nstI- /nstbk /nsIFm /kAImax /kAVFm /kVVmax /kV

24415130121.0-3.69.5-92

4741511591.0-3.910.0-160

82425100101.1-4.111.2-230

12042595131.1-4.212.5-260

15042590131.2-4.212.5-265

18042588131.2-4.212.5-270

20042587131.2-4.212.5-270

22042585131.2-4.212.5-272

隨著負載的增大，反向電流泵浦時間減小，反向電流截斷時間和反向電流峰值變化不大，反向電壓峰值增大。通過調節負載電阻RL的大小，可以改變反向電壓峰值、反向電流泵浦時間、反向電壓峰值的大小。

4 結 語

采用SOS二極管數值模擬程序，研究了SOS二極管P區擴散深度和外電路參數對SOS電流截斷特性的影響，獲得了若干有規律性的結果和認識。它表明數值模擬所得的基本變化規律與已有文獻上報道的結果基本相符，這對SOS二極管工藝設計和外電路優化設計具有理論意義和實用價值[10]。

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