Способ снижения времени выключения тиристоров

 

Изобретение относится к электронной промышленности и может быть использовано при конструировании и производстве тиристоров. Сущность способа заключается в однородном по площади облучении выпрямительных элементов тиристоров потоком быстрых электронов или протонов и создании путем дополнительного локального облучения участка повышенной рекомбинации, расположенного под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200 - 500 мкм, причем доза дополнительного локального облучения (Φ) определяется из соотношений: Φ = (t₁/t₂-1)/(τ_руэ0·K_τp) или Φ = (t₁/t₂-1)(t₁·K_tq), где K_τp - коэффициент деградации времени жизни неравновесных носителей заряда при облучении; t₁, t₂ - измеренные до локального облучения времени выключения тиристора, причем их измерения проводят в одинаковом режиме, но при измерении t₂ в цепь управления тиристора подают отрицательный импульс тока; τ_руэ0 - время жизни неравновесных носителей заряда в области управляющего электрода до локального облучения; K_tq - коэффициент деградации времени выключения при дополнительном локальном облучении. Технический результат изобретения - возможность работы приборов при высоких частотах с наименьшими потерями. 2 с.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к электронной промышленности и может быть использовано при конструировании и производстве тиристоров.

Известно, что время выключения тиристоров (t_q) в широком диапазоне значений времени жизни неравновесных носителей заряда (τ_p) на выпрямительных элементах может считаться пропорциональным τ_p (см. "Расчет силовых полупроводниковых приборов" под редакцией В. А. Кузьмина. М.: Энергия. 1980 г.), поэтому существует много способов снижения t_q, в которых однородно по площади всего выпрямительного элемента (в.э.) снижают τ_p, для чего проводят диффузию Au, Pt или облучение в.э. потоком быстрых электронов, например (см. Патент США N 3881963, заявл. 18.01.73. Заявитель WEC).

Однако, используя такие способы, достигнуть достаточно малых значений t_q при сохранении приемлемых значений импульсного напряжения в открытом состоянии (U_tm) не удается.

Это обусловлено тем, что тиристоры имеют пониженное значение критического заряда включения (Q_kp) в части в.э., расположенной под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200-500 мкм. Она выключается последней и определяет время выключения тиристора. Для достижения достаточно малых значений t_q при использовании вышеописанного способа приходится сильно снижать τ_p по всей площади тиристора, что приводит к недопустимому росту U_tm.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому по совокупности признаков является способ снижения времени выключения тиристоров, заключающийся в однородном по площади облучении выпрямительных элементов тиристоров потоком быстрых электронов или протонов и создании путем дополнительного локального облучения участка повышенной рекомбинации (УПР), расположенного под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200-500 мкм (см. Патент США N 3877997, заяв. 20.03.73, опубл. 15.04.75, Заявитель WEC).

Недостатком указанного способа является то, что при его использовании для конкретного тиристора неизвестно, на сколько нужно повысить значение Q_kp. Поэтому для достижения достаточно высоких значении Q_kp и малых t_q все тиристоры подвергаются облучению одинаковыми и очень высокими дозами, для большинства из них существенно превышающими необходимые. В то же время избыточное повышение Q_kp на указанном участке приводит к недопустимому снижению площади начального включения и, как следствие, к увеличению энергии потерь при включении (E_tt), а также снижению критического значения скорости нарастания анодного тока и предельной частоты, на которой могут работать тиристоры (см. Н.Н. Беспалов, Е.М. Гейфман. "Экспериментальные исследования площади начального включения и потерь в тиристорах при включении по цепи управления". Электротехника, 1996г., N 1, с. 48-51). Поэтому у тиристоров, для которых используется этот способ локального облучения вышеназванные параметры недопустимо ухудшаются.

Однако возможно до создания УПР выявить тиристоры, имеющие пониженное значение Q_kp в области управляющего элек трода и количественно определить на сколько можно снизить t_q v таких тиристоров за счет повышения Q_kp в этой области. Для этого необходимо до создания УПР два раза измерить t_q в одинаковом режиме, но при втором измерении в цепь управления тиристора нужно подать отрицательный импульс тока. Это приведет к значительному росту Q_kp в этой области. Поэтому у тиристоров с зани женным значением Q_kp величина t_q при втором измерении (t₂) будет меньше, чем при первом (t₁).

Задача изобретения - сохранение малых значений энергии потерь при включении. Технический результат - возможность работы приборов при высоких частотах с наименьшими потерями.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе снижения времени выключения тиристоров, заключающемся в однородном по площади облучении выпрямительных элементов тиристоров потоком быстрых электронов или протонов и создании путем дополнительного локального облучения участка повышенной рекомбинации, расположенного под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200-500 мкм, доза дополнительного локального облучения (Φ) пределяется из соотношения где K_τp - коэффициент деградации времени жизни неравновесных носителей заряда при облучении; t₁, t₂ - измеренные до локального облучения времена выключения тиристора, причем их измерения проводят в одинаковом режиме, но при измерении t₂ в цепь управления тиристора подают отрицательный импульс тока; τ_руэ0 - время жизни неравновесных носителей заряда в области управляющего электрода до локального облучения, или из соотношения где K_tq - коэффициент деградации времени выключения при дополнительном локальном облучении.

Выше указывалось, что t_q пропорционального τ_p, т.е.

t₁= K·τ_руэ0, (1) t₂= K·τ_руэ1, (2) где K - коэффициент пропорциональности между t_q и τ_руэ,
поэтому для того, чтобы снизить t_q с t₁ до t₂ нужно снизить τ_руэ от исходного значения τ_руэ0 до значения τ_руэ1. Изменение времени жизни неравновесных носителей заряда в результате электронного или протонного облучения описывается соотношением

где K_τp - коэффициент деградации времени жизни неравновесных носителей заряда при облучении;
Φ - доза облучения.

Исходя из соотношений (1) - (3) можно рассчитать необходимую дозу дополнительного локального облучения Φ из соотношения
Φ = (t₁/t₂-1)/(τ_руэ0·K_τp). (4)
В ряде случаев, например при облучении участка повышенной рекомбинации большими дозами быстрых электронов, протонов или альфа-частиц, при создании участка повышенной рекомбинации специальной формы и в ряде других, величина K_τp в процессе облучения изменяется. Тогда для определения величины Φ при создании участка повышенной рекомбинации необходимо предварительно у выпрямительных элементов данного типа тиристоров снять зависимость t_q от дозы дополнительного локального облучения. Эту зависимость можно представить в следующем виде

где K_tq - коэффициент деградации времени выключения при дополнительном локальном облучении.

Из соотношения (5) легко определить величину дозы дополнительного локального облучения из соотношения
Φ = (t₁/t₂-1)/(t₁·K_tq). (6)
Предлагаемый способ был использован для регулирования времени выключения партии тиристоров типа Т453-800 в количестве 50-ти штук, изготовленных на АО "Электровыпрямитель" по серийному технологическому процессу. Выпрямительные элементы тиристоров имели диаметр 56 мм. Они изготавливались из кремния марки КОФ60- 140, имели толщину 680 мкм и глубины переходов: Х_n-p - 105 мкм, X⁺_n-p-21 мкм. До создания участка повышенной рекомбинации все тиристоры подвергались однородному по площади облучению. После этого значения U_тм у всех выпрямительных элементов лежали в диапазоне 2.0-2.2 В. Затем на каждом выпрямительном элементе измерялись значения времени выключения t₁ и t₂, в следующем режиме: T_j = 125^oC. I_т = 800 A, di/dt = -5 A/мкс, U_R = 100 В, du/dt = 50 В/мкс, U_D = 1600В. При измерении t₂ в момент прохождения анодного тока через ноль в цепь управления тиристора подавался отрицательный импульс тока с амплитудой, равной 50 A. На тиристорных структурах также проводилось измерение величины τ_руэ и энергии потерь при включении E_tt. Измерение E_tt про водилось на специально разработанном аналого-цифровом измерителе в следующем режиме: амплитуда анодного напряжения перед включением 1000 B, амплитуда анодного тока 160 A, ток трапецеидальной формы со скоростью нарастания 40 A мкс. Энергия потерь определялась за интервал времени, равный 20 мкс от момента достижения анодным током значения 0.1 A. Результаты измерений представлены в таблице N 1. Из полученных данных следует, что только у 26-ти тиристоров из 50-ти t₁ превышает t₂ более, чем на 5%, следовательно, только для них целесообразно создание участка повышенной рекомбинации. Требуемая доза дополнительного локального облучения для каждой тиристорной структуры рассчитывалась из соотношения (4). Коэффициент деградации K_τp для используемого режима облучения принимался равным 7.1·10^-15 см²/(эл·мкс). Результаты измерений и расчетов приводятся в таблице 3. После этого выпрямительные элементы, имеющие недостаточные значения Q_kp, подвергались дополнительному локальному облучению. Облучение участка повышенной рекомбинации проводилось на линейном ускорителе электронов "Электроника У-003". Максимальная плотность тока на мишени составляла 0.01 мкА/см², а энергия электронов 7МэВ. Распределение относительной плотности потока электронов по экрану приведено в таблице N 2. После облучения вторично измерялись значения U_tm, t₁, t₂, E_tt τ_руэ1. Место расположения тиристорной структуры при облучении, номер строки (N стр.) и столбца (N стл.) на экране, реальная доза облучения выпрямительного элемента с учетом плотности потока в месте расположения выпрямительного элемента и результаты измерений параметров после дополнительного локального облучения приведены в таблице N 3. Из полученных результатов следует, что после дополнительного локального облучения только у двух выпрямительных элементов t₁>t₂ более, чем на 5%. Значения E_tt изменились незначительно, а на величину U_tm локальное облучение участка повышенной рекомбинации практически не повлияло.

Для сравнения полученных результатов со способом-прототипом все тиристорные структуры партии были дополнительно локально облучены или дооблучены до одинаковой дозы Φ = 7·10¹² эл/см², которая являлась максимально необходимой для достижения всеми тиристорами данной партии значения t₁≅t₂. Расположение тиристорных структур при дооблучении. время дооблучения, значения t₁, t₂, U_tm, E_tt, измеренные после дооблучения вышеуказанной дозой, приведены в таблице N 1. Из данных, приведенных в таблицах N 1 и N 3, следует, что при таком способе создания участка повышенной рекомбинации практически все тиристорные структуры (49 штук) имели τ_руэ в участке повышенной рекомбинации ниже, чем требуется для достижения t₁=t₂, что привело к избыточному точному увеличению E_tt в среднем на 20-30% и ограничивает применение тиристоров, изготовленных по способу-прототипу при работе на повышенных частотах, а также в режиме с повышенной скоростью нарастания анодного тока.

В целом, полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности предлагаемого способа.

Формула изобретения

1. Способ снижения времени выключения тиристоров, заключающийся в однородном по площади облучении выпрямительных элементов тиристоров потоком быстрых электронов или протонов и создании путем дополнительного локального облучения участка повышенной рекомбинации, расположенного под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200 - 500 мкм, отличающийся тем, что доза дополнительного локального облучения (Φ) определяется из соотношения

где K_τp - коэффициент деградации времени жизни неравновесных носителей заряда при облучении;
t₁, t₂ - измеренные до локального облучения времена выключения тиристора, причем их измерения проводят в одинаковом режиме, но при измерении t₂ в цепь управления тиристора подают отрицательный импульс тока;
τ_руэ0 - время жизни неравновесных носителей заряда в области управляющего электрода до локального облучения.

2. Способ снижения времени выключения тиристоров, заключающийся в однородном по площади облучении выпрямительных элементов тиристоров потоком быстрых электронов или протонов и создании путем дополнительного локального облучения участка повышенной рекомбинации, расположенного под управляющим электродом и примыкающим к нему краем катодной области шириной 200 - 500 мкм, отличающийся тем, что доза дополнительного локального облучения (Φ) определяется из соотношения

где K_tq - коэффициент деградации времени выключения при дополнительном локальном облучении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3