УЛЬТРАБЫСТРЫЙ, ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫЙ, МОЩНЫЙ, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИОД В МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ПЛАНАРНЫХ МАЛОИНДУКТИВНЫХ БЕСПРОВОЛОЧНЫХ КОРПУСАХ

Полезная модель представляет собой ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в металлокерамических планарных малоиндуктивных беспроволочных корпусах на частоте преобразования-коммутации до 1-5 Мгц с токами до 150 А и напряжением до 1200 В для ВЧ и СВЧ преобразовательных радиоэлектронных устройств и может быть использована в производстве электронных приборов в радиоэлектронной промышленности.
Конструктивное исполнение мощных сверхбыстродействующих высоковольтных диодов предполагает монтаж кремниевых, карбид кремниевых и арсенид галлиевых диодных кристаллов в металлокерамических или пластмассовых корпусах типа ТО, ДО, SMD, SOT и др. Такое конструктивное исполнение предполагает наличие проволочных или ленточных межсоединений внутри корпуса. Наличие такого рода межсоединений - это дополнительное конструктивная и наведенная, при протекании больших токов, индуктивность. Наличие встроенной индуктивности приводит к затягиванию фронтов импульсных сигналов включение/выключение и, следовательно, ограничение предельных переключающих частот коммутации диодных ключей. Вторым фактором, влияющим на надежность высоковольтных быстродействующих диодов, является повышенная температура эксплуатации, зачастую достигающая 150-200°С и выше. Температура эксплуатации корпуса кремниевых сверхскоростных высоковольтных диодов ограничена значением +125°С, а предельные частоты коммутации с приемлемым КПД даже диодов с барьером Шоттки при высоких температурах эксплуатации (выше 100°С) ограничиваются потолком в 0,5-0,8 МГц.
Используемые за рубежом арсенид - галлиевые диоды Шоттки, несмотря на высокое быстродействие, имеют конструктивно-технологические ограничения по предельным эксплуатационным характеристикам:
- предельная температура 175-200°С,
- рабочие токи на чипе 30-50А, при предельных рабочих напряжениях до 300 В.
Ближайшим конструктивным прототипом в плоских беспроволочных малоиндуктивных корпусах являются карбид - кремниевые диоды Шоттки, выполненные в корпусах типа Thin Key по западной классификации, аналогичные конструктивным исполнениям таких приборов, как MSASC25W100K, MSASC25W100KR, MSASC75W45F, MSASC75W45FR, MSASRS200S10L, MSARS200S10LR и др. (www.microsemi.com), имеющим рабочие температуры до +175÷200°С, исключительно низкую индуктивность выводов, высокие частоты коммутации (свыше 1 МГц), достаточно высокие рабочие напряжения.
К недостаткам такой конструкции сверхбыстродействующих диодов следует отнести:
1. Значительное ухудшение частотных свойств при предельных температурах эксплуатации близких к 200°С, вследствие резкого роста прямого падения напряжения на переходе металл-полупроводник, т.е. барьерного перехода Шоттки.
2. Деградация электрофизических параметров барьерного перехода Шоттки в процессе эксплуатации.
-
3. Ограниченность значений максимального тока на кристалл из-за технологичесих проблем и высокой трудоемкости изготовления исходных эпитаксиальных структур политипа n-4H-SiC.
Основной технической задачей данной предполагаемой полезной модели является резкое улучшение динамических свойств сверхскоростных мощных диодов в плоских практически безиндуктивных корпусах типа Thin Key при предельных режимах эксплуатации, расширение мощностных и энергетических характеристик.
Данная техническая задача предполагаемой полезной модели достигается тем, что в конструкции высокоскоростных высоковольтных диодов в корпусах типа Thin Key вместо карбид-кремниевых диодных кристаллов с барьером Шоттки используются арсенид-галлиевые p-i-n диодные кристаллические структуры. Гибкость технологии выращивания p-i-n диодных кристаллов арсенида галлия позволяет варьировать зависимость прямой вольт-амперной характеристики от температуры как с отрицательным, так и положительным коэффициентом зависимости прямого падения напряжения от температуры. При использовании высоковольтных p-i-n арсенид-галлиевых кристаллов с положительным температурным коэффициентом вольт-амперных характеристик их можно использовать при создании сверхмощных высокоскоростных модулей в конструкции корпусов по типу Thin Key с достижением следующего сочетания параметров, не имеющих аналогов:
- рабочие прямые постоянные токи до 1000 А,
- импульсные токи до 4000 А,
- обратные блокирующие рабочие напряжения до 1200 В,
- рабочей температурой до 200-250°С,
- частотой коммутации до 1,0 МГц.
На фиг.1 показан общий вид конструкции арсенид-галлиевого p-i-n диода в корпусах типа Thin Key.
Конструкция p-i-n арсенид-галлиевого диода в корпусе по типу Thin Key содержит металлический кристаллодержатель 1 с технологическими разгрузочными канавками из молибдена, вольфрама и др.; крепленый на нем методом пайки или другими способами; p-i-n арсенид-галлиевый диодный кристалл 2; молибденовую или вольфрамовую прокладку 3; верхнюю корпусную крышку 4 из молибдена, вольфрама или их сплавов с медью; керамический изолятор 5, с рельефной металлизацией; уплотнительные коваровые или из другого металла, металлосплава кольца-накладки 6; металлический для поверхностного монтажа вывод 7; кремнийорганический компаунд или другой защитный материал 8.
Металлические детали корпуса 1, 3, 4, 6, 7 изготавливаются методом штамповки, фрезерования, в т.ч. лазерного, из листовых материалов или методами последовательного прессования и спекания из порошковых металлических материалов.
+
-
-
+
+
Кристалл p-i-n арсенид-галлиевого диода изготавливается методом жидкостной эпитаксии. Из расплава арсенида галлия на монокристаллических высоколегированных подложках р типа анодной части выращивается высокоомная p-i-n n- область, катодной части кристалла, затем на n-области выращивается высоколегированная n-катодная область для создания омических контактов с последующим формированием меза-областей p- n перехода, омических металлических контактов.
Герметизация корпуса готового собранного прибора и вывода для поверхностного монтажа осуществляется методом пайки деталей 1, 4, 5, 6, 7.