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1、电流丝的相关理论1.电流丝的产生当高压二极管以高的 di/dt 关断时，将产生不均匀的电流丝。在等温条件下，我们发现准静态电流丝。电流丝在 P+N 结雪崩区和 nn+结前剩余的等离子层之间形成高传导渠道。下面我们来研究均匀的电流分布为什么会变的不稳定。1. 1 13kv 二极管测试：有 3 种关断模式（a ）.很低的电流关断速率 di/dt：由于反向恢复过程中，很低的空穴浓度经过 Pn-结，因此不会出现雪崩。 （b）.中等的电流关断速率：如果空穴浓度达到 n-层的掺杂浓度时，且反向偏压足够高，载流子倍增达到很高水平，导致不稳定的出现。 （c ）.非常高的电流关断速率：在等离子层没有完全抽取时，
2、不稳定就会出现。以上两种不稳定在等温模式和电热模式都会出现。1.11 高 di/dt-100A/us图 2 为电热模式和等温模式电流电压曲线对比：曲线不同点：电热模式反向峰值电流高，反向电压延迟。原因是二极管开通状态下温度升高大约 20k，这就使电热模式中电子空穴的迁移率，漂移速度比等温状态下小。因此等离子层的载流子抽取效率降低。由于寿命的升高电热模式储存电荷比等温时高。然而两个模式关断过程大体相同。当发生动态雪崩时，均匀的电流密度分布不稳定，出现波动，波长 Lx 为侧向长度。侧向电流密度波动如图 3 所示。电流密度分布取自于 n-层接近 P+N 结电场强度最大的横切面，如下图红色部分。从而我
3、们应该建立一个这样的概念，电流丝是 3D 的。侧向电流分布出现波动，T 从 383K 到 399K。温度上升的幅值很慢，电流密度波动变化很快，最终在 P+n 结，一条电流丝出现了。在这个进化过程中，反向电流增加，电压减小，如图 2 中的尖刺。可见电流丝是伴随负阻出现的。电流丝中电流密度的增加导致所在区域温度的升高，另一方面，电流丝中高电流密度使它能很有效的抽取等离子层中的载流子，使电流丝中 P+n-结耗尽层比外部宽，电压小。由于缺少高电压，使电流丝向邻近区域（等离子层耗尽较少的区域）移动。就这样，在阳极准静态的电流丝变成了移动的电流丝，这种电流丝温升不大。图 5 为两种模式垂直方向空穴浓度和电
4、场分布。图中电热模式 nn+结前的等离子层比等温时厚，这是由于温度升高产生的结果。可见温度升高使抽取等离子层的效率降低（Va 降低） ，导致电流丝移动速度的降低。等离子层抽取速度的快慢影响电流丝的移动速度，VaVc 也使得阳极电流丝移动的速度远大于阴极电流丝移动的速度。阴极电流丝速度很小，可以看成是固定在阴极某一位置。图 6 为不同的 di/dt 时两种模式电流丝移动速度的比较。从整体上看随着 di/dt 的增大（等离子层抽取速度增大） ，电流丝移动速度增大。di/dt 越大，越容易发生动态雪崩。从两种模式比较来看：当 di/dt 高于 100A/us 时，电热模式电流丝移动速度小于恒温时的速
5、度。当 di/dt=50A/us 时，恒温只有一个准静态的电流丝，而电热模式有移动电流丝。这种不同时是因为在恒温时，发生雪崩之前等离子层就完全耗尽，所以只能形成静态的电流丝。而在电热模式，由于初始储存电荷高，所以有足够高的空穴浓度漂移至 pn-空间电荷区引发雪崩（此时等离子层没有耗尽） ，因而形成动态的电流丝。然而随着关断电流速率的不断降低，电流丝的移动速度减小非常迅速。在电热模式下，一个非常低的 di/dt，等离子层也能完全耗尽而不发生雪崩。1.12 中等 di/dt-40A/us当 13kv 二极管以一个很低的 di/dt 关断时，pn-结空间电荷区空穴浓度不会增大太快，在等离子层耗尽之前
6、不会发生雪崩。等离子层突然消失，会导致一个很高的峰值电压产生，现实中二极管常被这个高压损坏。下面研究关断过程中导致不均匀电流分布的第二种机制。当等离子层消失之后，在侧向载流子和电场分布是均匀的。如果二极管反压增大，pn-结发生雪崩（静态雪崩） ，产生的电子漂移到阴极。如果 ，那么在 nn-也会发生雪崩，也就是以前提到过的双结雪崩。双结雪崩发生后，两个结雪崩产生的载流子相互促进，形成一个正反馈，引起侧向电流分布的不稳定，产生波动。如下图 7 所示。此时 pn+结附近侧向温度变化不大，相当于等温模式。经过一段时间，正反馈使得两个强场区的载流子猛增，最终侧向的电流丝伴随着负阻出现了。这个侧向电流丝中
7、电流密度高达 600A/cm2，因此其中温度升高，雪崩倍增减小并开始移动到相邻的温度低的区域。它的移动速度大约为 350um/us。当然这个速度与垂直电流丝的移动速度相比是比较低的（等离子层和 p+n-结之间的电流丝） 。等离子层消失之后的恒温模式下，电流丝都是固定在某个位置的。这也间接的证明了热效应是导致电流丝移动的一个因素。1.13 非常高的 di/dt-800A/us在等离子层消失之前，发生双结雪崩（动态雪崩） ，在阳极和阴极都将形成电流丝。如图 9 所示在等温模式下只有上面的电流丝是运动的，下面的是准静态的?。这就表明温度不是使电流丝运动的唯一因素。在电热模式下 p+n 结电流丝 V
8、约为 2000 um/us，它由等离子层和碰撞产生载流子来维持。而 nn-结电流丝 V 约为 275 v,它由热载流子来维持。2. 3.3KV 二极管2.1 低载流子寿命在关断 0.75us 后，雪崩产生出现，t=0.791us 时侧向的电流分布周期性的波动产生多个电流丝，这时阴极前的等离子层依然存在。如图 10恒温模式：电流丝经过最初调整到一个平衡的位置，增长，最后消失。电热模式：电流丝形成后开始以 500 um/us 的速度移动，温度达到 450k。导致这个区域雪崩产生率减少。这看起来这时阳极电流丝移动的主要原因。2.2 . 高载流子寿命由于载流子寿命高，开通时在 n-区形成的高浓度等离子
9、层导致高的反向恢复电流。不稳定引起阳极侧向电流丝的波动，在等温时形成准静态电流丝，在电热时形成移动电流丝。如果双结雪崩出现，在阴极也会出现电流丝。如图 11在等温下，阴极电流丝为静态的。在电热模式下，这个电流丝变成移动的速度大约为 150um/us。阴极电流丝的移动归因于温度升高导致雪崩产生率减小。阴极电流丝的移动速度远远小于阳极电流丝（速度大约为 500 um/us） 。然而阴极电流丝中电流密度远大于阳极电流丝，导致阴极温度比阳极高（ ） 。由此可见，阳极电流丝的运动不仅仅是由热机制驱动，电流丝区域中的等离子层宽度的减小也起一个很重要的作用。Inuence of Joule heating on current laments induced by avalanche injection
