Полупроводниковый прерыватель тока

 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам и может быть использовано для генерирования мощных наносекундных импульсов высокого напряжения в схемах с индуктивным накопителем и прерывателем тока. Технический результат изобретения заключается в уменьшении времени обрыва обратного тока и увеличении коэффициента перенапряжения при формировании импульса. Сущность: полупроводниковый прерыватель тока образован набором последовательно соединенных полупроводниковых структур, каждая из которых содержит сильнолегированные р⁺- и n⁺-области, расположенные по краям структуры, слаболегированную n-область и р-область с умеренным легированием, расположенные внутри структуры и образующие р-n-переход, глубина залегания р-n-перехода в структурах 180-200 мкм. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам и может быть использовано для генерирования мощных наносекундных импульсов высокого напряжения в схемах с индуктивным накопителем и прерывателем тока. Характерные значения амплитуды напряжения на прерывателе тока при этом составляют сотни кВ при величине тока в единицы и десятки кА и длительности импульса от единиц до 100 нс.

Известно использование силовых высоковольтных выпрямительных диодов в качестве прерывателей тока в схемах с индуктивным накопителем энергии (Котов Ю. А., Любутин С. К., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Сильноточный импульсный ускоритель. // Патент РФ N 2059345, H 05 H 5/04). При определенном сочетании плотности тока (единицы и десятки кА/см²) и времени его протекания (сотни нс) силовые диоды характеризуются резким обрывом обратного тока (Дарзнек С. А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. SOS-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. // Доклады Академии Наук. 1994. Т. 334. N 3. С. 304-306). Прерыватель тока представляет собой сборку из параллельно-последовательно соединенных выпрямительных диодных столбов, а каждый диод (столб) содержит набор последовательно соединенных полупроводниковых структур. Число последовательно соединенных структур в столбе зависит от его рабочего напряжения. Например, для наиболее широко применяемых для этих целей промышленных диодов типа СДЛ число последовательно соединенных структур изменяется от 64 (СДЛ 0,4 - 800, рабочее напряжение составляет 80 кВ) до 132 (СДЛ 0,4 - 1600, 160 кВ). Рабочее напряжение одной структуры составляет 1-1,5 кВ.

Полупроводниковая структура таких силовых диодов выполняется по обычной диффузионной технологии. Распределение легирующих примесей в структуре, выбранной в качестве прототипа, приведено на фиг. 1, позиция 1 (см. Ю.А. Евсеев, П. Г. Дерменжи. Силовые полупроводниковые приборы. М.: Энергоиздат, 1981, рис. 3.1., стр. 76). Сильнолегированные области p⁺ и n⁺ образованы диффузией бора и фосфора соответственно. В качестве n-базы используется электронно легированный кремний с удельным сопротивлением 50 - 70 Ом·см. Диффузия алюминия с анодной стороны структуры образует p-область. Для рабочих напряжений около 1 - 1,5 кВ длина всей структуры составляет 300 - 320 мкм, из которых примерно по 30-50 мкм приходится на сильнолегированные области, 160 - 180 мкм занимает база, а ширина p-области (глубина залегания p-n-перехода Х_p) лежит в диапазоне 75 - 125 мкм (Ю.А. Евсеев, П.Г. Дерменжи. Силовые полупроводниковые приборы. М.: Энергоиздат, 1981, стр. 440-442).

Эксперименты с прерывателями тока, содержащими такие структуры, показали, что главный недостаток состоит в малой величине коэффициента перенапряжения при отключении тока. Во всех исследованных режимах этот коэффициент не превышает 3. Низкое значение этого коэффициента связано с большой величиной времени обрыва тока, составляющей десятки нс. В конечном итоге этот недостаток снижает величину выходной импульсной мощности, поскольку при прочих равных условиях она пропорциональна квадрату коэффициента перенапряжения.

Цель изобретения состоит в уменьшении времени обрыва тока и увеличении коэффициента перенапряжения при формировании импульса высокого напряжения с использованием силовых выпрямительных диодов в качестве прерывателей тока индуктивного накопителя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном полупроводниковом прерывателе тока, содержащем набор последовательно соединенных полупроводниковых структур, каждая из которых содержит сильнолегированные p⁺- и n⁺-области, расположенные по краям структуры, слаболегированную n-область и p-область с умеренным легированием, расположенные внутри структуры и образующие p-n-переход, глубина залегания p-n-перехода в структурах увеличена до 180 - 200 мкм.

Существенный отличительный признак состоит в увеличении глубины залегания p-n-перехода в известной структуре до 180 - 200 мкм вместо обычной величины около 100 мкм. На стадии обратной накачки (обратного тока) концентрационный фронт избыточной плазмы движется вдоль p-области по направлению к p-n-переходу. Обрыв тока наступает в момент времени, когда происходит насыщение скорости основных носителей на участке структуры, свободной от избыточной плазмы. При характерных плотностях тока в единицы и десятки кA/см² это происходит в p-области структуры до подхода фронта плазмы к базе (см., например, работу: Дарзнек С.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов. / Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 64-70). Увеличение глубины залегания p-n-перехода приводит к возрастанию скорости движения фронта избыточной плазмы вдоль p-области примерно в 5-7 раз. Более высокая скорость движения фронта плазмы перед обрывом тока обусловливает увеличение жесткости процесса отключения тока, что выражается в сокращении времени образования области сильного поля в p-области (сокращении времени обрыва тока) и увеличении перенапряжения на прерывателе.

На фиг. 1 (позиция 2) приведено распределение легирующих примесей в структуре предлагаемого прерывателя тока, на фиг. 2 - экспериментальная зависимость коэффициента перенапряжения K_п от глубины залегания p-n-перехода X_p, фиг. 3 поясняет физическую картину движения фронта избыточной плазмы вдоль структуры на стадии обратной накачки, фиг. 4 демонстрирует расчетные зависимости динамики набора скорости фронтом концентрационной волны избыточной плазмы при различных глубинах залегания p-n-перехода, на фиг. 5 приведена расчетная зависимость времени обрыва тока t_о от глубины залегания p-n-перехода X_p, а в таблице приведены сравнительные характеристики известного прерывателя тока (диодный столб СДЛ 0,4 - 800 с величиной X_p = 120 мкм) и разработанного в соответствии с настоящим предложением (X_p = 180 мкм).

Материал настоящей заявки основан на экспериментально обнаруженном эффекте, состоящем в увеличении коэффициента перенапряжения на прерывателе и уменьшении времени обрыва тока при увеличении глубины диффузии алюминия в структуру (фиг. 2). При прочих равных условиях при увеличении X_p от 100 до 180 - 200 мкм перенапряжение K_п возрастает с 2-3 до 6-7, что связано с уменьшением времени обрыва тока с 12-25 нс до 4-8 нс. При этом выделенная область 1 на фиг. 2 соответствует известным прерывателям тока (например, диодный столб типа СДЛ с величиной X_p = 120 мкм), а область 2 - предлагаемому прерывателю тока.

Для объяснения полученного эффекта, состоящего в улучшении характеристик прерывателя тока при увеличении глубины диффузии алюминия в структуру, использовалась расчетная модель, описанная в работе: Дарзнек С.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов. // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 10. С. 64-70. Анализ процессов динамики электронно-дырочной плазмы в структуре при различных X_p показал, что увеличение глубины диффузии алюминия при прочих равных условиях обусловливает возрастание скорости движения концентрационного фронта v_фр избыточной плазмы вдоль p-области на стадии обратной накачки (см. фиг. 3). Поскольку скорость движения фронта плазмы v_фр пропорциональна плотности тока J и обратно пропорциональна концентрации избыточной плазмы Δp на фронте (v_фр~ J/q·Δp, где q - заряд электрона), то при одном и том же режиме накачки увеличение скорости движения фронта достигается за счет уменьшения Δp. Снижение величины Δp при увеличении глубины залегания p-n-перехода X_p связано главным образом с тем, что на стадии прямой накачки, когда происходит накопление заряда в p-области структуры, снижается средняя величина концентрации избыточной плазмы, поскольку один и тот же накопленный заряд в этом случае распределен по большей толщине p-слоя. Фиг. 4 иллюстрирует расчетные кривые динамики набора скорости фронтом концентрационной волны, движущейся в p-области структуры на стадии обратной накачки для различных значений глубин диффузии алюминия X_p. Видно, что увеличение X_p от 100 до 200 мкм приводит к возрастанию максимальной скорости v_фр перед обрывом тока примерно в 7 раз при одном и том же режиме ввода обратного тока. Коммутационные характеристики структуры, как прерывателя тока, определяются шириной области сильного поля и скоростью ее расширения на стадии обрыва тока. Более высокое значение скорости движения фронта плазмы перед обрывом тока в структурах с увеличенным значением X_p обусловливает как увеличение ширины области сильного поля (коэффициент перенапряжения K_п), так и снижение времени ее образования (время обрыва тока t_о). Как видно из фиг. 5, время обрыва тока с ростом X_p уменьшается от 25 до 9 нс.

Влияния изменения других параметров структуры на коэффициент перенапряжения в экспериментах и численных расчетах на модели не обнаружено. Это связано с тем, что процесс обрыва тока при высоких плотностях тока развивается именно в p-области структуры, и изменением ее ширины можно регулировать характеристику отключения тока. В связи с этим в качестве отличительного признака указана только величина X_p, оптимальное значение которой лежит в диапазоне от 180 до 200 мкм. При меньших Х_р снижается коэффициент перенапряжения и растет время обрыва тока. Увеличение глубины диффузии более 180 - 200 мкм, с одной стороны, не приводит к значительному улучшению характеристики отключения тока (участок насыщения на фиг. 2 и фиг. 5 при X_p = 180 - 200 мкм), а с другой стороны, существенно увеличивает нагрузку на технологическое оборудование, обеспечивающее процесс диффузии. Выбор параметров остальных областей структуры (удельное сопротивление и длина n-базы, площадь структуры, а также параметры сильнолегированных областей) производится по традиционным методикам для силовых выпрямительных диодов исходя из требуемого рабочего напряжения структуры и величины импульсного или среднего тока.

В качестве примера практической реализации предложения в Таблице приведены сравнительные характеристики известного прерывателя тока (диодный столб СДЛ 0,4 - 800 с величиной X_p = 120 мкм) и разработанного в соответствии с настоящим предложением, структуры которого имеют величину X_p = 180 мкм. В конструктивном плане опытный прерыватель тока содержал 20 последовательно соединенных диодов. Каждый диод представлял собой медный охладитель толщиной 1 мм и площадью 20х20 мм², на который напаяно по 4 последовательные структуры. Площадь структур - 5х5 мм². Общее число последовательных структур в прерывателе - 80 штук. Предлагаемый прерыватель тока способен пропускать на стадии накачки и затем обрывать ток большей величины, поскольку он имеет более короткую базу (при увеличении X_p толщина пластинки кремния не менялась и составляла 310 - 320 мкм). Меньшие времена обрыва тока позволяют иметь больший коэффициент перенапряжения и соответственно более высокую импульсную мощность в нагрузке, а конструкция прерывателя с развитой поверхностью охладителей позволяет также увеличить рассеиваемую мощность.

Формула изобретения

Полупроводниковый прерыватель тока, содержащий набор последовательно соединенных полупроводниковых структур, каждая из которых содержит сильнолегированные р⁺ и n⁺-области, расположенные по краям структуры, слаболегированную n-область и р-область с умеренным легированием, расположенные внутри структуры и образующие р-n-переход., отличающийся тем, что глубина залегания р-n перехода в структурах лежит в пределах 180 - 200 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6