Что такое SOS-эффект?

Широко известно, что при переключении силовых полупроводниковых диодов с прямого направления на обратное в контурах с индуктивным характером нагрузки на них возникают перенапряжения, связанные с тем, что при восстановлении диода длительность спада обратного тока в определенных условиях может быть меньше длительности фазы высокой обратной проводимости. В традиционной области применения диодов в качестве выпрямителей переменного тока этот эффект является нежелательным, поскольку снижает надежность работы диода и других элементов электрической схемы. Разработано большое количество способов для подавления этого эффекта. Способы основаны либо на подборе определенного распределения легирующих примесей в полупроводниковой структуре (диоды с мягким восстановлением), либо на использовании специальных схемных решений по подавлению перенапряжений на диоде (шунтирующие варисторы или комбинации R - С элементов).

Мы попытались подойти к этой проблеме с обратной стороны задавшись вопросом: нельзя ли наоборот усилить этот эффект для того, чтобы использовать полупроводниковые высоковольтные диоды в качестве прерывателей тока в мощных импульсных системах с индуктивным накопителем энергии. Эксперименты, проведенные в 1991 г. Любутиным С.К., Рукиным С.Н. и Тимошенковым С.П. [1], показали, что при определенном сочетании плотности прямого и обратного тока и времени его протекания через полупроводниковую структуру время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц нс. Характерные значения плотности тока при этом составляют десятки кА/см2, а время протекания тока лежит в диапазоне сотен нс. Этот эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках позже получил название SOS-эффекта (от Semiconductor Opening Switch) [5].

Отличие SOS-эффекта от других принципов коммутации тока

Теоретические исследования, выполненные Дарзнеком С.А. и Цырановым С.Н. [5, 14, 18, 25], показали, что SOS-эффект представляет собой качественно новый принцип коммутации тока в полупроводниковых приборах. Его основное отличие состоит в том, что развитие процесса обрыва тока происходит не в низколегированной базе структуры как в других приборах, а в ее узких высоколегированных областях. База и p-n переход структуры при этом остаются заполненными плотной избыточной плазмой, концентрация которой примерно на два порядка превышает исходный уровень легирования. Эти два обстоятельства и приводят к сочетанию как высокой плотности обрываемого тока, так и наносекундного времени его отключения.

Другое очень важное отличие состоит в том, что на стадии обрыва тока SOS-эффект характеризуется автоматическим равномерным распределением напряжения по последовательно соединенным структурам. Это дает возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня [30] путем простого последовательного соединения структур без использования внешних делителей напряжения. Механизм равномерного распределения напряжения связан с процессами интенсивного лавинного размножения носителей в узкой области высокого электрического поля в структуре на стадии отключения тока. В структурах, где по тем или иным причинам возникло электрическое поле, превышающее среднее значение, происходит очень быстрая (десятые доли наносекунды) наработка добавочной плазмы за счет ударной ионизации. Увеличение концентрации плазмы приводит к снижению величины электрического поля и выравниванию напряжения по структурам.

Какова предельная скорость обрыва тока при SOS-эффекте?

Поскольку процесс обрыва тока при SOS-эффекте связан с динамикой избыточной электронно-дырочной плазмы в структуре, то режим накачки структуры, определяющий профиль распределения концентрации избыточной плазмы, влияет и на время обрыва тока. Мы провели эксперименты [17, 19] при коротких временах обратной накачки и высокой скорости ввода обратного тока в структуру. Проведенный эксперимент показал, что полупроводниковый прерыватель, являясь по своей сути плазмонаполненным диодом, обладает присущим и другим плазменным прерывателям тока свойством, которое состоит в улучшении характеристики отключения тока при увеличении скорости ввода тока в прерыватель. Уменьшение времени ввода обратного тока с 80-100 нс до 10-15 нс привело к уменьшению времени обрыва тока с 5-10 нс до 500-700 пс. При этом зарегистрированные времена обрыва тока были ограничены полосой пропускания использованной аппаратуры.

Достигнутые значения времени обрыва тока подтвердили ранее сделанные выводы, согласно которым процесс обрыва тока развивается в узкой области структуры, шириной несколько десятков мкм, и не связан с необходимостью удаления всей избыточной плазмы из базы диода. Так при времени обрыва тока 500 пс и в предположении, что область электрического поля на стадии обрыва тока расширяется с максимально возможной скоростью, равной скорости насыщения носителей в кремнии, ширина области составит не более 50 мкм. Для установления более точной картины явления субнаносекундного обрыва тока при SOS-эффекте мы планируем проведение дальнейших исследований.

Возможности SOS-эффекта

Перечисленные качества SOS-эффекта позволили уже в первые 2-3 года после его обнаружения разработать мощные наносекундные генераторы с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами. При использовании в качестве полупроводникового прерывателя тока обычных выпрямительных высоковольтных столбов мы разработали наносекундные генераторы с выходным напряжением до 1 МВ, средней мощностью в десятки кВт, импульсным током в единицы и десятки кА и импульсной мощностью гигаваттного уровня [3, 4, 6, 9, 10].