半导体断路开关电路——流体耦合数值模拟

2022-09-12

一、SOS的发展

1991年, 俄罗斯电物理研究所首先发现了一种现象, 那就是掺杂结构为p+pn-n+…的半导体断路开关能够在n s级的时间内发生一种反应, 在这过程中它的截断电流密度非常的高, 能够达到kA/cm2的电流。这一特性使得半导体断路开关成为一种重要的发明, 并且具有十分重要的应用前景, 比如在全固态、长寿命脉冲功率、高重复频率的装置中发挥着不可替代的功能。科学家们在已有数值模拟的研究工作中, 有人研究出电流开始于n-n+…结处, 最后在整个p区和n…区完成截断, 他们是利用了电压控制模型, 从而得出半导体断路开关的特性;而另外一些人却有另外一番的见解, 他们认为截断开始于p+-p结处, 最终在p区完成截断, 与之前的看法完全不同, 于是, 他们开始采用电流控制模型来验证他们的观点;后面又有人得到了相同的结果, 也是采用了电流控制模型。

二、数值模拟

模拟采用的外电路是一种简单的电路, 它由一个电阻和一个SOS的单向半导体相并联, 之后再与开关、电容器、电感元件串联。当正向泵浦的时候, 电容…C可以达到1.7…nF, …而电感L只有10μH, 这是一个非常小的数, 电容…C上的初始电压为其实是有50 kV这么大的, 反应过程消耗的很多;当反向泵浦的时候, 电容C为3.4 nF, 电感L为1μH, 因为半导体的存在, 这比正向的还要小很多;在电路中负载阻抗应用24Ω。模拟时采用100个半导体断路开关彼此相互堆叠的工作形式, 其中SOS截面面积S为0.25平方厘米。

三、模拟结果分析

实验开始, 由于在电场作用下, 正向流动, 会使半导体断路开关内部的电子会产生流动现象, 从而来保持电中性。又由于载流子在移动, 而它的移动会影响到电流, 这会使电流受到正向刺激迅速的增加, 所以在此时, 非平衡载流子浓度在整个区域内还没有达到一定的浓度, 同理, 等效的阻抗依旧存在, 并且还是十分的大, 不足以流通, 从而也会看到电压会慢慢的随着它们的增大而增大。而且在正向流动的阶段, n区会出现不太弱的电场, 这是因为由n区的载流子数密度十分的小。就表示正向泵浦阶段半导体断路开关上的电压达到最大时, 这个时候的载流子的分布情况与…场强的波形变化。

当n区的电场达到最大值的时候, 此时的最大电压会达到3.75 kV, 在这个情况之后, 虽然电流会继续增加, 这会影响着某些区域, 这会使他们中存在的一种密度, 非平衡电子数的密度, 他们会随着电流增大而逐渐上升, 但是在整个区域内的等效阻抗却与之相反, 虽然是相当的变化明显, 但是确实以肉眼可见的速度在逐渐减小, 所以这直接导致电压的降低。

而且在正向泵浦末端, …基区电子的空穴浓度是增大了的, 与初始时相比, 足足的大了两个数量级, 从而形成了等离子体。当然, 两端的高掺杂区域的存在的非平衡电子的浓度亦达到了峰值。

现在开始第二个实验, 将实验反向进行, 在反向泵浦的初始阶段, 在半导体断路开关内部积累了许多高数密度非平衡载流子, 这是由于正向泵浦, 才使得非平衡载流子的积聚。一般来说, 由于半导体的存在, 反向进行实现的几率是十分小的, 在这个实验中, 反向抽取之所以能够完整的进行, 是因为其电路能够用极少的时间便拥有很高的反向电流。就充分表明了当反向电流达到最大的时候的载流子分布, 在这之后, 电流出现开始截断的状态, 导致反向电压开始逐渐增加。可以见得, n+…区的载流子数密度会有明显的下降, 而且n+…区的反向电场会移动到n-n+…的结处, …从而形成很高的反向电场, 由此可以得出结论, 判断出是从nn+…的结处开始截断的。

在实验中, 随着关于截断的进行, n+区的载流子会随之变动, 他们似乎被抽取得相对之前来说更加严重, 这就导致了在nn+的结处会形成反向电场, 而且比前者更高。在这之后, n+区内因为载流子的被抽取, 所以抽取的载流子不能够去维持持续的电流, 为了获得稳定的电流, 他们便开始在p+区去抽取载流子, …因为由于电子的质量十分的小, 抽取的速度相当的迅速, 如有神助, 所以电子数的密度就飞快的下降, 进一步发现在p+-p结处也出现了类似于nn+结处的现象, 也出现了反向高电场。就所描述的那样…, 所以在实验进行中就会有向p-n结处的方向快速移动的两处反向高电场就, 从而这会使半导体断路开关上的电压拥有一个最大值, 原因是快速移动的反向高电场最终会在基区, 也就是p-n结处的附近形成一个不是非常窄的空间电荷区。在这个时候, 基区—p-n结的载流子数密度在与截断之前的数目相比, 通过观察发现, 他们并没有什么明显的变化。所以这就导致了整个截断过程不是在外部完成的, 而是在半导体断路开关内部的两个高掺杂区域进行, 并且他们最终会在基区p-n结处完成截断工作。

四、小结

经过实验发现, 半导体断路开关在流体耦合的数值模拟中具有相当重要的地位, 它起着十分庞大的功能, 扮演着不可替代的角色。尤其是在模拟中, 我们可以发现载流子不管怎么变动, 它总是在半导体断路开关的内部进行移动, 增加, 减少或者是被抽取与被利用等。在本文中我们提出了用流体耦合数值模型的这种电路来对半导体的断路开关进行了关于数值模拟的实验, 经过一步步的探究与推论, 从而得到了半导体断路开关在内部截断过程中的场强的变化过程以及一些载流子数密度的变化特征, 进而得出了半导体断路开关的电流截断的规律性。

摘要：物理学家们利用流体力学方程和全电流方程来结论推导, 其目的是他们为了研究以p+-p-n-n+为掺杂结构的一种半导体断路开关相关的脉冲截断机理, 发现在半导体断路开关内部中有许多载流子, 而且载流子的运动有一定的规律, 他们与电流电压有关, 并且满足电流电压的关系表达式, 从而与之相结合提出了一种把外电路方程和载流子流体力学方程相结合的方法, 再将他们联立求解, 得出一种1维的耦合数值模型。这就是我们所要研究的导体断路开关电路——流体耦合数值模拟。并且对半导体断路开关的一种ns脉冲截断过程中去进行了数值模拟在数值模拟过程中要采用该模型, 以此来验证猜想。模拟结果表明:在截断过程中, 首先开始明显降低的是n-n+结处的载流子数的密度, 并且伴随着高电场的产生, 随后在p+-p结处的那个地方也出现与n-n+的类似现象, 初步观察发现高电场区域向p-n结处发生快速移动的现象是随着载流子的抽取, 最终在p-n结处它们停止移动, 从而完成截断, 但是基区载流子数密度却是在截断前后没有明显的变化。

关键词：半导体断路开关,流体耦合数值模拟,n s脉冲截断