Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6735

Optimierungsregeln für Halbleiteröffnungsschalter in Hochspannungspulsgeneratoren sehr hoher Leistung

Andrey Engelko

Zusammenfassung
Halbleiteröffnungsschalter (SOS) erlauben eine Unterbrechung von Stromdichten bis zu 10 kA/cm² in weniger als 10 ns. Sie können bei Frequenzen bis zu 1 kHz eingesetzt werden und haben eine Lebensdauer von 10¹¹ Impulsen. Als Stapel geschichtet weisen SOS-Dioden eine Durchbruchspannung von einigen 100 kV auf. Aus diesen Gründen sind sie ideal für die Entwicklung von kompakten industrietauglichen Spannungsgeneratoren mit Leistungen im GW-Bereich geeignet.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Stromunterbrechungsprozesses in Halbleiterdioden vom SOS-Typ, die ein p⁺-p-n-n⁺ Dotierungsprofil aufweisen, welches durch Oberflächendiffusion eingestellt wird. Um die physikalischen Vorgänge im Inneren der Diode zu simulieren, wurde ein Code namens POSEOSS entwickelt. Dieser Code basiert auf einem ausführlichen physikalischen Modell des Ladungsträgertransportes unter dem Einfluss des elektrischen Feldes und der Dichtegradienten. Alle für die Aufgabe relevanten Rekombinations- und Generationsmechanismen wurden berücksichtigt. Durch seinen flexiblen Aufbau erlaubt POSEOSS verschiedene Parameteruntersuchungen, um die für den Einsatz als Öffnungsschalter optimale Dotierungs- und Störstellenprofile zu ermitteln.

Mit dem Code wurden interessante neue Erkenntnisse bezüglich der Plasmadynamik während des Öffnungsprozesses gewonnen. So konnte zum Beispiel durch Einsatz eines realistischen Beweglichkeitsmodells festgestellt werden, dass der Öffnungsvorgang erst an der n-n⁺-Grenze der Diodenbasis beginnt. Außerdem wurden die physikalischen Voraussetzungen für den SOS-Effekt ermittelt.

Die Simulationsergebnisse dienen des weiteren als Basis für einen vereinfachten SOS-Ersatzschaltkreis, der in Beschaltungssimulatoren wie PSpice eingesetzt werden kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue Impulsgeneratorbeschaltung vorgeschlagen, die auf induktiven Energiespeichern basiert. Die Leistungsmultiplikation wird durch parallele Entladung der Induktivitäten erreicht, die zuvor seriell aufgeladen wurden. Diese Schaltung kann als induktives Analogon des Marx-Generators betrachtet werden. Eine PSpice-Simulation dieses Generatortyps mit Halbleiteröffnungsschalter wird in dieser Arbeit vorgestellt.

Zur Prüfung der Simulationsergebnisse wurde eine experimentelle Anlage aufgebaut, die auf einem 100 kV SOS-Diodenschalter basiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit mittels POSEOSS erzielten Resultaten.

Weitere Verbesserungen der Funktionsweise von Halbleiteröffnungsschaltern können durch eine spezielle Anpassung der Struktur der Halbleiteröffnungsschalter an die gewünschten Generatoreigenschaften erreicht werden.

Optimisation Rules for Semiconductor Opening Switches in High Voltage Pulse Generators of Very Large Power

Abstract
Semiconductor opening switches (SOS) are able to interrupt currents at density levels of up to 10 kA/cm² in less than 10 ns, operate at repetition rates up to 1 kHz, and possess lifetimes of more than 10¹¹ pulses. If stacked, SOS diodes can hold off voltage levels above a few 100 kV. They are therefore ideal for the design of compact high voltage pulse generators of the GW-class for industrial applications.

The aim of this work was to improve our understanding of the opening process in a semiconductor diode of SOS-type with a doping profile of p⁺pnn⁺ structure, obtainable through diffusion from the surfaces. To simulate the physical processes inside this diode the code POSEOSS was developed. It contains a detailed physical model of charge carrier transport under the influence of density gradients and electric fields and considers all relevant generation and recombination processes. It possess a large degree of flexibility and is easy to apply and thus allows to carry out parameter studies to determine the influence of different physical quantities, like doping and impurity levels, on the performance of the device.

Applying the code some new interesting results concerning the plasma dynamics during the opening process in the switch have been found. Especially, using realistic values for the charge carrier mobility, it was found that the opening process starts first at the n-n⁺ boundary. Also it has been possible to derive the physical conditions for the occurrence of the SOS-effect.

Based on the simulation results a simplified SOS equivalent circuit model has been developed. This model can be used in the circuit simulation program PSpice. A new pulse generator scheme based on inductive storage is proposed, in which power multiplication is achieved by unloading the inductors, previously charged in series, in parallel. This scheme can be considered as the inductive equivalent of a Marx-generator. PSpice simulations of such a scheme based on semiconductor opening switches are presented.

The theoretical results were compared to measurements obtained with a simple experimental set-up using two 100 kV SOS-switches. The measurements showed good agreement with the simulation results.

Further improvements seem possible by adapting the SOS device structure to the specific generator circuit

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