Estudo de um Si

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15508 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O interruptor semicondutor multiporta iniciado por luz (LIMS) é um tipo de dispositivo eletrônico de potência que tem muitas diferenças em relação ao tiristor tradicional acionado por pulso elétrico. O LIMS é acionado por laser, o tempo de ativação é menor e as interferências antieletromagnéticas são fortes. O modo de abertura do LIMS é obviamente diferente do tiristor tradicional. Após o laser na área do portão, um grande número de elétrons e buracos aparecerá na região da base P, os buracos se reunirão na área da base P na junção PN J2 e os elétrons se reunirão na região de deriva N ao redor da junção PN J2 . A junção PN J2 será aberta primeiro, depois a junção PN J3 será aberta. O tempo de atraso dos tiristores NPN e PNP é próximo de zero quando o pulso do laser é estreito e a potência de pico é alta, então a velocidade de ativação é rápida. Para otimizar as características do LIMS em altas temperaturas, propomos uma nova estrutura do LIMS com a otimização da camada n+, porta de luz circular e o novo estilo de terminação de borda. O diâmetro do LIMS é de 23 mm. Os resultados do experimento mostram que a corrente de fuga do LIMS proposto diminuiu de mais de 1 mA para 500 μA a 125 °C, a corrente de saída do LIMS é de 10,2 kA com uma tensão de 4 kV a 85 °C e a a corrente de saída do LIMS é de 12,1 kA com uma tensão de 4 kV a − 55 °C. Além disso, di/dt é maior que 30 kA/μs.

Como os interruptores semicondutores mais poderosos, os tiristores acionados eletricamente e acionados por luz são os dispositivos de escolha para aplicações de energia de ultra-alta tensão, como transmissão de corrente contínua de alta tensão (HVDC) ou aplicação de energia pulsada1,2,3,4,5 . Comparado com o tiristor acionado eletricamente, o tiristor acionado por luz tem mais vantagens em simplificar o circuito do driver e melhorar a compatibilidade eletromagnética6. No entanto, no sistema de energia de pulso ultra-alto, como para aplicações de railgun, o tempo de ativação é curto e o di/dt do tiristor é alto, resultando em tiristores tradicionais acionados eletricamente e acionados por luz sendo incapazes de atender o requisito acima. Consequentemente, foi proposto o comutador semicondutor de portas múltiplas (LIMS) iniciado por luz. O LIMS é um tipo de dispositivo eletrônico de potência que possui muitas diferenças em relação aos tiristores tradicionais acionados por pulsos elétricos ou de luz. O LIMS é acionado por lasers, e a velocidade de ativação é rápida, onde o di/dt é superior a 60 kA/μs.

No entanto, a estrutura do LIMS é semelhante ao tiristor, que contém quatro camadas de dopagem diferentes, formando um transistor bipolar NPN e um PNP. Sob altas temperaturas de operação, a corrente de fuga do LIMS aumentará amplificada pelos ganhos do transistor, levando ao acionamento parasita do tiristor. Isso degradará o funcionamento do aplicativo em alguns casos, como em aplicativos militares, utilitários e aeroespaciais6,7.

O estudo mostra que a corrente de fuga do tiristor em altas temperaturas também pode vir de correntes de superfície no chip terminal8. Então, técnicas adequadas de terminação de borda e passivação são necessárias para minimizar a corrente de fuga, representando uma parte significativa da corrente de fuga total no LIMS.

Neste artigo, foi proposta uma nova estrutura do LIMS com a otimização da camada n+, porta circular e o novo estilo de terminação de borda, com o diâmetro do LIMS de 23 mm. A corrente de fuga do LIMS proposto é de cerca de 500 μA a 125 °C, e a corrente de saída do LIMS é de 10,2 kA com uma tensão de 4 kV a 85 °C.

A Figura 1a é a estrutura do chip Si LIMS tradicional. O LIMS é quase idêntico à estrutura do tiristor, exceto pela área do gate, para excitar mais portadores por fótons. No entanto, o modo de abertura do LIMS é obviamente diferente do tradicional tiristor acionado eletricamente. Depois que o laser é apontado para a área disparada por luz, muitos elétrons e buracos aparecerão na região da base P, os buracos se reunirão em torno da base P na junção PN J2 e os elétrons se reunirão na região de desvio N ao redor da junção PN J2. Quando o pulso do laser é estreito e a potência de pico é alta, o tiristor NPN abrirá antes do tiristor PNP, mas o tempo de atraso dos tiristores NPN e PNP é mínimo. Quando a energia do laser na unidade de tempo (energia do laser e largura de pulso) for adequada, o tiristor PNP e o tiristor NPN abrirão ao mesmo tempo. Portanto, a velocidade de ativação do LIMS é rápida.