Si에 대한 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15508(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

LIMS(Light Initiated Multi-Gate Semiconductor Switch)는 전기 펄스에 의해 트리거되는 기존 사이리스터와 많은 차이점이 있는 일종의 전력 전자 장치입니다. LIMS는 레이저에 의해 트리거되고, 켜기 시간이 더 짧으며, 전자기 간섭이 강합니다. LIMS의 개방 모드는 기존 사이리스터와 분명히 다릅니다. 레이저가 게이트 영역에 들어간 후 P 베이스 영역에 많은 수의 전자와 정공이 나타나고, 정공은 PN 접합 J2의 P 베이스 영역에 모이고, 전자는 PN 접합 J2 주변의 N 드리프트 영역에 모입니다. . PN 접합 J2가 먼저 열리고 그 다음 PN 접합 J3이 열립니다. NPN 및 PNP 사이리스터의 지연 시간은 레이저 펄스가 좁고 피크 전력이 높을 때 0에 가까워 턴온 속도가 빠릅니다. 고온에서 LIMS의 특성을 최적화하기 위해 n+ 레이어 최적화, 원형 라이트 게이트 및 새로운 스타일의 Edge Termination을 갖춘 LIMS의 새로운 구조를 제안합니다. LIMS의 직경은 23mm입니다. 실험 결과, 제안된 LIMS의 누설 전류는 125°C에서 1mA 이상에서 500μA로 감소되었으며, LIMS의 출력 전류는 85°C에서 4kV 전압에서 10.2kA이며, LIMS의 출력 전류는 12.1kA이고 전압은 -55°C에서 4kV입니다. 또한 di/dt는 30kA/μs보다 큽니다.

가장 강력한 반도체 스위치인 전기 트리거 및 광 트리거 사이리스터는 고전압 직류(HVDC) 전송 또는 펄스 전력 애플리케이션과 같은 초고전압 전력 애플리케이션에 선택되는 장치입니다1,2,3,4,5 . 전기적으로 트리거되는 사이리스터와 비교하여 광 트리거 사이리스터는 드라이버 회로를 단순화하고 전자기 호환성을 향상시키는 데 더 많은 이점을 가지고 있습니다6. 그러나 레일건 애플리케이션과 같은 초고펄스 전력 시스템에서는 턴온 시간이 짧고 사이리스터의 di/dt가 높기 때문에 기존의 전기 트리거 및 광 트리거 사이리스터는 이러한 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 위의 요구 사항. 이에 따라, 광 개시형 다중 게이트 반도체 스위치(LIMS)가 제안되었다. LIMS는 전기 또는 광 펄스에 의해 트리거되는 기존 사이리스터와 많은 차이점을 갖는 일종의 전력 전자 장치입니다. LIMS는 레이저에 의해 트리거되며, di/dt가 60kA/μs보다 높은 경우 켜기 속도가 빠릅니다.

그러나 LIMS의 구조는 서로 다른 도핑의 4개 층을 포함하여 NPN 및 PNP 바이폴라 트랜지스터를 형성하는 사이리스터와 유사합니다. 높은 작동 온도에서 LIMS의 누설 전류는 트랜지스터 이득에 의해 증폭되어 사이리스터의 기생 턴온으로 이어집니다. 이로 인해 군사, 유틸리티, 항공우주 애플리케이션6,7과 같은 경우에 따라 애플리케이션의 기능이 저하됩니다.

연구 결과에 따르면 고온에서의 사이리스터 누설 전류는 칩 단자의 표면 전류에서도 발생할 수 있습니다8. 그런 다음 LIMS의 전체 누설 전류 중 상당 부분을 차지하는 누설 전류를 최소화하려면 적절한 에지 종단 처리 및 패시베이션 기술이 필요합니다.

본 논문에서는 n+ 레이어 최적화, 원형 게이트 및 새로운 스타일의 에지 종단을 갖춘 LIMS의 새로운 구조를 제안했으며, LIMS의 직경은 23mm입니다. 제안된 LIMS의 누설 전류는 125°C에서 약 500μA이고, LIMS의 출력 전류는 85°C에서 4kV의 전압으로 10.2kA이다.

그림 1a는 기존 Si LIMS 칩의 구조입니다. LIMS는 게이트 영역을 제외하고 사이리스터의 구조와 거의 동일하여 광자에 의해 더 많은 캐리어를 여기시킵니다. 그러나 LIMS의 개방 모드는 기존의 전기 트리거 사이리스터와 분명히 다릅니다. 레이저가 광 트리거 영역을 가리키면 P 베이스 영역에 많은 전자와 정공이 나타나고, PN 접합 J2의 P 베이스 주위에 정공이 모이고, PN 접합 주변의 N 드리프트 영역에 전자가 모입니다. J2. 레이저 펄스가 좁고 피크 전력이 높을 때 NPN 사이리스터는 PNP 사이리스터보다 먼저 열리지만 NPN 및 PNP 사이리스터의 지연 시간은 최소화됩니다. 단위 시간당 레이저 에너지(레이저 에너지 및 펄스 폭)가 적합하면 PNP 사이리스터와 NPN 사이리스터가 동시에 열립니다. 따라서 LIMS의 턴온 속도가 빠릅니다.