本文通過求解一組耦合、剛性、非線性方程組,并根據實際情況選擇相關物理模型(遷移率、產生復合等),獲得關鍵半導體器件的宏觀行為。重點對具有不同結構參數和物理參數的DBD器件在不同激勵源下的延遲擊穿效應進行了仿真,研究了不同參數對延遲擊穿半導體開關二極管開關特性(上升時間、脈沖寬度)的影響。仿真的器件結構和簡化電路模型如圖1所示,器件面積為0.01cm2,p+ 區摻雜濃度NA=1019cm-3,n+ 區摻雜濃度ND=1019cm-3,負載R=50Ω。激勵源具有常dV/dt上升沿的波,如圖2所示,幅度為2.3kV,選擇該波形是便于理論分析。
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圖1 延遲擊穿二極管結構和模擬簡化電路
圖2中帶三角符號的實線表示峰值為2.3kV的輸入驅動脈沖,剛開始有一個小的前脈沖,然后有一個小的上升,最后是較快的上升,上升沿時間為300ps.另一條曲線表示50Ω負載的電壓,即銳化后的輸出脈沖,從470V到峰值2.18kV處上升時間為90ps.可見DBD器件能有效地阻止前脈沖和慢的上升,在峰值電壓處擊穿(關閉)很快。
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圖2 典型輸入電壓和輸出電壓波形
圖3和圖4分別表示DBD輸出與其橫截面積及負載電阻的關系。Focia等人認為,器件面積依賴于所需的功率控制能力,對輸出負載卻沒有提到。從仿真結果看,并不完全是這樣。從圖3、圖4可以看出,在一定面積或負載電阻R 范圍內,輸出電壓幅度幾乎不變,上升時間則差不多單調上升;在該范圍低端,當面積或負載電阻減小時輸出幅度單調下降,但上升時間卻存在極小值。這是因為在上述范圍內,截面積增加,則通過負載的電流增加,從而輸出幅度變大,但加在負載上的電壓的增加必然導致DBD兩端電位的下降,從而使雪崩電流減少,進而導致輸出電壓減小,綜合結果是輸出幅度幾乎不變,這可以認為類似于負反饋情形。上升時間方面,隨著R 或面積的增加,DBD兩端電壓的加載速率dV/dt下降,因而上升時間增加。在上述范圍內,負載電阻改變時情形也一樣。在上述范圍以外,當面積減小時,由于雪崩產生的等離子體數量有限,雪崩電流減小,因而輸出幅度減小;R 減小時,電路中電流增加,DBD電壓下降,導致輸出幅度減小。上升時間方面,情況比較復雜,不同R 時輸入電壓DBD端電壓波形如圖5所示,從圖5可以看出,R 兩端的電壓上升時間決定于DBD端電壓的下降時間。隨著R 的減小,從圖4可以得到,DBD端電壓下降時間(即R 兩端的電壓上升時間)在R=40Ω處存在極值。因為,隨著R 的進一步減小,處于雪崩狀態的DBD電阻相對變大,這樣DBD上的壓降最小值(對應于R 上的最大值)增大,因此下降變化率減小,上升時間反而增加,故上升時間在R=40Ω處出現極值。面積減小時的情形也很類似。
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圖3 電壓峰值及上升時間與其橫截面積的關系
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圖4 電壓峰值及上升時間與負載電阻的關系
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圖5 輸入電壓及不同負載時的DBD端電壓波形