Overheating of an Optically Triggered SiC Thyristor
during Switch-on and Turn-on Spread
M. E. Levinshtein, T. T. Mnatsakanov, S. N. Yurkov, and J. W. Palmour
Ioffe Physical–Technical Institute, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 194021 Russia
Ecirc;-mail: melev@nimis.ioffe.rssi.ru
Lenin All-Russia Electrotechnical Institute, Moscow, 111250 Russia
CREE Inc., 4600 Silicon Dr., Durham NC 27703, USA
Submitted February 7, 2012; accepted for publication, March 12, 2012
Abstract—A simple adiabatic model of the switch-on and turn-on spread in an optically triggered SiC thyristor has been developed. The model makes it possible to evaluate the overheating of the structure with consideration for the switched current Imax, the rate of current increase dI/dt, the power/energy of the UV light source used for switching, the area initially switched-on by light, and the switch-on time constant tau; of the thyristor. The applicability of the adiabatic approximation to evaluation of the device overheating is substantiated. It is shown that the instantaneous maximum power density is approximately inversely proportional to the area of the initially switched-on portion of the thyristor. The estimates obtained demonstrate that, to preclude the inadmissible overheating of the structure, the maximum current density during switch-on, jmax,
should not exceed ~(2–3) times; 104 A cm–2. With jmax asymp; Imax/pi;r02asymp; U0/pi;r02Rl taken for estimation, it is possible to estimate the radius of the optical window r0 for a given voltage U0 at which the structure is switched on and a chosen load resistance Rl.
DOI: 10.1134/S1063782612090151
- INTRODUCTION
Optically switched semiconductor devices,including optically triggered GaAs and Si thyristors, have found numerous practical applications, among which one should mention the synchronization of high-power lasers, excitation of excimer lasers, and high-voltage galvanic decoupling of control and power circuits .
Optically triggered thyristors based on silicon carbide were first examined in [7, 8]. In these studies, a 4H-SiC thyristor with a blocking voltage of 2.6 kV was switched-on to the maximum current Imax = 11 A by a pulse of UV laser light with a wavelength lambda; = 337 nm.Recently, the switch-on of a 4H-SiC thyristor with a blocking voltage of 12 kV to a current of 40 A by a pulse of light from a UV laser with an emission wavelength lambda; = 266 nm (photon energy Eph asymp; 4.66 eV) was described in [9]. It should be noted that an optically triggered silicon thyristor with a blocking voltage of 7 kV can be switched by a laser pulse to a current of 2000 A [6].
One of the main tasks in the further development of optically triggered SiC thyristors is to raise the maximum switched current Imax. It was shown in [9] that solving this problem requires a physically substantiated compromise to be established between the size of the initially switched-on areas of the thyristor, the switched current, the rate of current increase dI/dt,the power and energy of the UV light source used for switching, and the switch-on time constant tau; of the thyristor.
It is known that the initial switch-on of a thyristor by an external action can be achieved within a comparatively small area (initial turn-on region (ITR)).After that, the switched-on state spreads to the entire thyristor area via the turn-on spread first described in [10]. This process has been studied in sufficient detail for Si and GaAs thyristors, but it remains hardly investigated for SiC thyristors.
The smaller the ITR, the lower the energy delivered from the source of light. This is exceedingly important for SiC thyristors, because the wide energy gap of silicon carbide (3.22 eV at room temperature) requires the use of sources of light with a very high photon energy (Eph ge; 3.6 eV) to trigger thyristors of this kind.Semiconductor UV light-emitting diodes (LEDs) [11] could serve as optimal sources of light. However, the power attainable from such sources even in the pulse mode is low. The energy necessary to switch 4H-SiC thyristors can be easily provided by gas or solid-state lasers. However, these sources of light are bulky, have poor efficiency, and, in addition, the distribution of light within their light spot is rather nonuniform.
At a small ITR size, the switch-on current density may be tens and even hundreds of times that in the steady state, when the current is distributed over the whole area of the thyristor structure. If the switch-on is rather fast (large values of dI/dt), the device may disintegrate because of overheating in the switch-on stage.
Fig. 1. Schematic of an optically triggered 4H-SiC thyristor structure.
The switched current Imax can be raised by series connecting the resistive load with a rather high inductance Ll [9, 12]. The inductance slows the increase in current. Therefore, the turn-on spreads during the switch-on time to a larger area and the current density decreases, which precludes disintegration of the device. However, connection in this way eliminates one of the main advantages of optically triggered SiC thyristors: the substantially shorter, compared with Si and GaAs thyristors, switch-on time constant tau; at the same blocking voltage [13].
The above conditions can only be optimized using a model that takes into account heating of the thyristor structure during the course of switch-on and turn-on spread. Complete solution to this proble
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过热光学触发晶闸管碳化硅在接通和导通的传播
ME Levinshtein，TT Mnatsakanov，SN Yurkov和JW Palmour
约飞物理技术研究所，俄罗斯科学院，圣彼得堡，俄罗斯194021
E-MAIL：melev@nimis.ioffe.rssi.ru
列宁全俄电工研究院，莫斯科，俄罗斯111250
Cree公司，4600矽博士，北卡罗来纳州达勒姆27703，USA
提交2012年2月7日;接受出版，2012年3月12日
摘要：一个简单的绝热模型和开启传播开关在光触发晶闸管已开发的SiC。该模型可以使得对过热的结构与开关电流进行考虑，电流上升率di/dt，用于开关UV光源的功率/电能的区域，该区域最初接通光和接通晶闸管的时间常数tau;。绝热近似到设备过热的评价的适用性是成立的。结果表明，瞬时最大功率密度大约是成反比的最初接通晶闸管部分的面积。所获得的估计表明，在接通期间排除的结构中，最大电流密度的不可接受过热，Jmax不应超过~（2–3）times;104cm–2。随着Jmaxasymp;IMAX /pi;r02asymp;U0 /pi;r02rl进行估计，有可能去估计光学窗口r0的半径为在该结构被接通和一个选择负载电阻器Rl一个给定的电压U0。
DOI：10.1134/ S1063782612090151
- 简介
光学开关的半导体器件，包括光学触发的GaAs和Si晶闸管，在已发现许多实际应用中，其中应该提高功率激光器，受激准分子激光器的激励，以及控制高电压电去耦的同步和电源电路。
基于碳化硅的光控触发晶闸管在[7,8]首次检测。在这些研究中，一个阻断电压为2.6千伏的4H-SiC晶闸管被激光接通到最大电流Imax=11A，而所述的紫外激光的脉冲具有波长lambda;=337 nm。最近，一个4H-SiC晶闸管的开关的阻断电压为12千伏到40 A的电流通过光脉冲从UV激光具有发射波长lambda;=266纳米（光子能量弗asymp;4.66电子伏特）被描述在[9]中。应当指出的是，光学触发硅晶闸管具有7千伏的阻断电压可以通过一个激光脉冲被切换到2000A的电流[6]。
其中在光学触发晶闸管碳化硅进一步发展的主要任务是提高最大开关电流Imax。在[9]中它表明，解决这个问题需要一个物理上在晶闸管的初始接通区域的大小之间已经被证实的折衷，电流增加的dI/ dt的的开关电流，速度，功率和能量的区域的用于切换UV光源，和晶闸管的接通时间常数tau;。
已知的是，在初始接通晶闸管的通过外部操作可以比较小的区域内实现（初始导通区域（ITR））。此后，接通状态扩散到整个晶闸管区域通过接通蔓延在[10]中介绍的。这一过程已被研究了足够详细，以Si和GaAs晶闸管，但它仍然几乎不调查SIC 晶闸管了。
ITR越小，从光源传递的能量就会越低。这对于SiC晶闸管极其重要的，因为碳化硅（3.22 eV的室温下）的宽能隙需要使用的光源的具有非常高的光子能量（弗ge;3.6伏特）来触发这种kind.Semiconductor的晶闸管紫外发光二极管（LED）[11]，其可以成为光作为最佳来源。然而，从这些来源中的功率在脉冲模式下可以变低。能量对于切换的4H-SiC晶闸管很有必要，能简单由气体或固态激光器提供。然而，这些来源体积大，效率差，并且，此外，光在其光点的分布相当不均匀。
在一个小的ITR尺寸时，开关上的电流密度可以是数十乃至数百倍，在稳定状态下，当电流被分布在晶闸管结构的整个区域。如果接通是相当快（dI/ dt的值很大），该装置可崩解因为在接通阶段的过热。
图1. 光学触发的4H-SiC晶闸管结构的原理
开关电流Imax可以由具有相当高的电感L[9，12]连接的阻性负载串联得到提升。电感减缓电流的增加。因此，在开关接通时间到更大的区域中导通差和电流密度减小，这就排除了设备的崩解。然而，在这种方式的连接消除了光学触发碳化硅晶闸管的主要优点之一：在相同的阻断电压[13]，与Si和GaAs晶闸管相比，接通时间常数tau;基本上较短。
上述条件只能使用一个模型，在接通和关上传播的过程中，该模型考虑到晶闸管结构的加热。完整的解决这个问题，需要一个相当复杂的模型的开发即使是对轴向对称结构的最简单的情况。然而，这个问题可以简化解释下列情形。第一，特性时间tD 对于晶闸管释放的热量到达散热器在几乎所有情况下长于接通晶闸管的时间，TR =（2-3）tau;。第二，显然，从简单的物理因素（并且由下面的计算证实），晶闸管结构过热的主要范围被接通在几个tr，即在一个时间比tD.最后短得多，因为如下所示，对导通时间甚至跨越最大已开发和研究了迄今为Td的顺序上的光学触发的SiC结构的传播。
事实上，特性tD的可估计为[14]
其中，W是阻塞的宽度（“厚”）基的晶闸管，以及chi;是热导率。
取W =90微米[9]和室温chi;=1.7cm2 s-1[15]，我们得到的估计的热扩散的特征时间从上，最过热，部分结构到散热器，TDasymp;48微秒。随着温度的升高，chi;稳步减小，因此，tD的稳步增长。同时，TR为的SiC晶闸管为W=90mu;m的值是（20-80）纳秒，这取决于所施加的阳极电压[9]。因此，在条件TRlt;lt; TD为满足条件。
据我们所知，在导通差加速中的SiC晶闸管从未被研究。然而，负责在接通差速[16]在碳化硅的参数不显著从硅的相应值不同。因此，我们可以假设为进行估计，该限制扩散速度V S是〜104厘米-1的情况下所考虑[16，17]。因此，导通时沿结构传播是〜60微秒为旋光触发碳化硅晶闸管，目前最大的结构半径R= 0.6厘米的轴向对称的情况下，其中从中心导通差的圆柱形结构，以在外围。
因此，在大多数情况下的传播过程中，在电流密度和加热的程度特别高的期间中，当释放的热量的总量进入加热的结构，都几乎发生在绝热条件下。考虑接通和关上传播的过程中的绝热近似的，能够明显地简化问题，揭示和分析其光学触发晶闸管的上述参数之间的基本关系：最初晶闸管导通区域的大小，Imax，di / dt的，时间常数tau;，并且用于切换UV光源的能量。
在这项研究中，我们分析了绝热近似的可能的热模式的主要具体特征接通旋光触发碳化硅晶闸管的期间和接通沿结构传播。
2、问题的提出与仿真条件
最简单的模型，使得它能够分析的热模式的特定功能的接通期间和接通传播是在图中所示的轴对称模型1。
与传统的硅和砷化镓晶闸管相反，碳化硅晶闸管阻塞具有p型导电基。较为重掺杂窄基地有n型导电性。半径R的晶闸管结构由光脉冲与半径r0的光学窗导通。接通径向扩展以速度依赖于瞬时电流密度而流过晶闸管。
晶闸管的横截面示于图2。参数晶闸管的对应于该装置的[18]在[9]中描述并研究了在光触发模式。
4H-SiC衬底掺杂1019cm-3的厚度为300微米。P 型缓冲层限制了空间电荷区（SCR）对杂质的Na的掺杂水平的不完全电离= 5times;1017厘米-3，在此的室温自由空穴浓度层为p = 7times;1016cm-3。杂质的不完全电离物也考虑到该结构的另一个p层。这种效果是对于重掺杂的p 发射极特别重要。在p掺杂水平 发射极取为钠= 2times;1019cm-3，在室温自由空穴浓度是P = 4.7times;1017cm-3。的载流子寿命被取为tau;p0p=tau;n0p= 1微秒，在晶闸管的阻断基（具有宽度Wp = 90微米）和tau;p0n=tau;n0n= 0.1微秒的窄基。在重掺杂p 的发射载流子寿命分别取为0.85纳秒。在这些参数，当前积累的接通期间的时间常数是接近在[9]实验观察到的值。
图2.晶闸管结构的剖面图[9，18]
在晶闸管结构瞬态过程中使用“Issledovanie”（调查）软件[19]模拟。这个程序是基于描述半导体载流子输运现代方程。这些方程使它可能正确地考虑到整组的高注入和掺杂水平相关联的非线性效应：俄歇复合，电子 - 空穴散射，能隙减小，和动力学系数的依赖性和载流子寿命对掺杂水平在结构等[20]的重掺杂层。在此之前，我们成功地使用这个程序的静态和动态的4H-SiC二极管和晶闸管[20-22]特性模拟。碳化硅参数的值取按照报道[13]中的数据。
晶闸管被接通在一个简单的电阻电路，这电路有恒定的阳极电压U0= 800 V和一个串联的负载电阻器Rl= 5.0Omega;。接通由引入非平衡电荷超过临界电荷密度qcr入晶闸管碱[23，24]影响的。qcr的值是3.9times;10-7Ccedil;cm-2为给定的结构。
计算是为了光学窗口半径r0的三个值（图1）：R0 =800微米（初始接通区S0asymp;0.02平方厘米）时，r0= 400微米（S0asymp;0.005平方厘米），并且r0= 200微米（S0asymp;1.25times;10-3平方厘米）。晶闸管结构的半径r0取为6000微米的所有情况。
在我们的模拟中，我们考虑到了以自洽的方式在当前累积，增加了导通区域，和由此带来的结构的温度。如上所述，正在加热加热就被认为是绝热的。
因为V（J）的依赖还没有研究在碳化硅晶闸管上的，在我们看来，我们在我们的计算中使用的更充分的依赖测定封闭基的厚度为200mu;m[17]的硅依赖晶闸管，这可以近似与表述精度适合。
其中A =316.4cm2S-1 A-1/2和J0=1cm2。
使用表达式（2）计算出的传播速度是104cm-1在J =1000 Acm2的电流密度。如下图所示，电流密度在接通过程中可能会在某些情况下基本上更高。同时，接通传播所有的理论，既弥散和场相关的，预测的是，在一个无限的电流密度堆积，接通传播速度对数趋向于被临界电荷密度[16]所决定的限制值。因此，对于由表达式描述的a v（j）条的依赖性进行我们的计算
- 结果与讨论
图3显示了电流和电流密度为光学窗口半径r0的三个不同值的接通过程的初始阶段的时间依赖关系。所有曲线图3，清楚地显示所有三个部分的相对本地交换机上的大面积的半导体开关元件的特性。这些是其中电流呈指数随时间增长的再生部，其中，所述当前累积减慢和场控制载流子传输的“饱和”部分让位给扩散有关的载流子输运，而导通的部分散布在其中电流密度减小为接通面积增大。
图5。过热时间依赖性Delta;Tmax= T- T0在该结构的最激烈的中央点相关（r =0）
期间的接通过程。插图显示相同依赖更长的时间相应于导通分布在
光学触发晶闸管的整个区域。
r0：（1）800，（2）400，和（3）200微米。
如所预期的，强烈过热的程度取决于初始接通的区域。在r0的初始接通半径200微米（曲线3），计算出的温度在接通过程结束最激烈的点的结构的（tasymp;0.8微秒，参照图3）超过2000℃。与此同时，在R0 =800微米（曲线1）在tasymp;0.8微秒的温度为〜100℃。
自然的，因为它必须在绝热模型条件下，温度继续在整个扩散过程增加。然而很感兴趣的要注意到的是较大的初始接通区域，以从接通过程的初始阶段的过热更显着的贡献。例如，对于该模式由曲线3表示，从温度上升〜2000至2300年℃，即，由-15％，在tasymp;80微秒，当导通差在该结构的整个区域。同时，对于由曲线1表示的模式，在tasymp;80微秒的温度为〜350℃，也就是说，在tasymp;0.8微秒时，它增加了超过三倍的接通过程极限。
最大电流密度的粗略估算上可以从外表状况Jmaxasymp;Imax/pi;r02asymp;U0/pi;r02Rl获得。这估计产量可以得到价值Jmaxasymp;8times;103，3times;104和105cm2的曲线1，2，和3中，分别（参见插图图3）。结果示于图5。表明，为阻止该结构的不可接受的过热，这样获得的J max的值应该不超过〜（2-3）times;104A cm-2。
晶闸管的接通区域的时间依赖性的初始r0=800微米示于图6.在图6中的插图示出接通面积如何随时间增加的接通过程的开始为r0的三个值，这个r0被我们计算过了。
图6。晶闸管的接通面积的时间依赖性用于初始R0 =800mu;m。
插图显示了接通面积随时间增加之初<!--
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