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半导体断路开关(SOS)效应实验研究

刘玉华  
【摘要】: 半导体断路开关SOS(Semiconductor Opening Switch)是一种脉冲功率断路开关,它具有大电流、高电压、高di/dt、长寿命和高重复频率等特点。电感储能和断路开关在脉冲功率技术中发展迅速,由于电感储能中磁场能量密度比电容储能中电场能量高两个数量级,基于SOS的脉冲功率发生器有着十分广阔的应用领域和市场前景。 SOS是一种具有p+-p-n-n+结构的二极管,本文主要研究了这种新器件的关断机制并对SOS效应进行测试。介绍了一种物理数学模型可分析大注入条件下电子-空穴动力学。模型考虑了实际的半导体结构掺杂剖面和以下的一些电子-空穴基本运动过程:强场中载流子的扩散和漂移;深能级杂质的复合;俄歇复合;密集等离子体的碰撞离子化。基于此模型的仿真结果显示二极管中的电流关断首先发生在高掺杂的p区,而不是在低掺杂的n区,代表着半导体器件中一种新的电流关断理论。 基于SOS双回路泵浦电路原理搭建了SOS效应测试电路,对样品Ⅰ(实验室研制二极管)和样品Ⅱ(快恢复二极管)进行测试。样品Ⅰ反向过电压系数Kov最高可达1.9,反向过电压半高脉宽tP最小可达120ns,器件特性更接近于SOS效应。测试过程中减小泵浦电容和电感的参数值,均会使二极管tP变窄。泵浦电容和泵浦电压的减小均会使注入二极管的电荷减少,使其产生的反向过电压减小。负载阻抗的变化也会影响二极管的测试特性。 针对SOS二极管的结构和实验室的条件,设计了制备器件的工艺流程,并采用化学腐蚀减薄的方法取代了传统的研磨减薄工艺。通过对多个比例的腐蚀液进行实验研究,得到了适合实验室工艺的溶液配比,成功应用于芯片制备过程中。


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