ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД С РЕЗКИМ ОБРЫВОМ ОБРАТНОГО ТОКА

Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока.
Заявляемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой импульсной электронике нано и субнаносекундного диапазона и может быть использована в качестве элементной базы для генерации коротких мощных электрических импульсов в устройствах с индуктивными накопителями энергии.
Известен мощный кремниевый диод, используемый в качестве наносекундных размыкателей тока в генераторах импульсов с индуктивными накопителями энергии (Патент РФ №2059345, H05H 5/04).
+
+
/
+
/
+
0
0
0
Такой диод имеет высоколегированные эмиттерные слои n и p типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах исходной пластины n - типа проводимости, а блокирующий pn - переход выполнен путем диффузии алюминия в кремний со стороны p-эмиттера на глубину 75-125 мкм; таким образом, базовая область между p и n- слоями имеет n-тип проводимости. Здесь и далее:
+
+
19
-3
- n, p - сильнолегированные (более 1∗10 см) слои кремния n и p-типа проводимости,
/
/
16
18
-3
- n, p - слои кремния со средним уровнем легирования (10-10 см),
0
0
15
3
-3
- n, p - исходный материал n и p-типа проводимости с концентрацией примеси 10-10 см.
2
Авторами патента показано, что такой диод после прохождения через него короткого импульса тока сначала в проводящем направлении, а затем в обратном направлении, способны обрывать обратный ток с плотностью в десятки кА/см за время в десятки наносекунд.
/
+
/
+
2
В патенте RU 2156014 C1, Н01Д 29/86 от 04.02.1999, который является прототипом заявляемой полезной модели, предложено увеличить глубину залегания pn-перехода в кремниевой ppnn-структуре до 180-220 мкм, что приводит к уменьшению времени обрыва тока до 4-8 нс. Такие диоды, получившие название SOS-диодов, используются для создания генераторов наносекундных импульсов гигаваттной мощности. Основным преимуществом SOS-диодов является очень высокая допустимая плотность тока в импульсе - до нескольких десятков кА/см, что позволяет создавать на их основе сверхмощные размыкатели.
+
/
+
/
0
0
На рис. 1 показана конструкция ppnn- структуры SOS-диода с глубоким (до 200 мкм) pn - переходом, полученным путем длительной диффузии алюминия в кремний n-типа проводимости. Процесс обрыва тока в таком SOS-диоде протекает следующим образом.
/
0
Коротким импульсом тока в проводящем направлении в p и n - слои вводится электронно-дырочная плазма, распределение которой показано на рис. 1а, кривая 1.
+
/
+
/
+
/
+
+
7
2
/
0
0
Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока. На левой pp-границе этот ток чисто дырочный, а на правой nn-границе - чисто электронный. Поскольку в кремнии подвижность дырок примерно втрое меньше подвижности электронов, то плотность потока дырок у pp-границы примерно втрое больше, чем электронов у nn - границы при одинаковой плотности тока. Поэтому спад концентрации плазмы до нуля и образование резкого плазменного фронта 2 (рис. 1б) происходит именно у pp-границы и образовавшийся фронт движется вправо при нарастающем обратном токе. Когда концентрация свободных дырок в потоке превысит концентрацию легирующей примеси в месте расположения фронта, то в этом месте начинается резкое возрастание электрического поля и уменьшение подвижности дырок, сопротивление диода возрастает и ток из него вытесняется в параллельно включенную нагрузку. Это и есть так называемый SOS-эффект, позволяющий выключать ток с очень высокой плотностью - несколько десятков тысяч А/см. Недостатком конструкции SOS-диода является большая глубина залегания диффузионного pn-перехода (180-200 мкм), для получения которой необходима долговременная - несколько суток - термообработка при температуре около 1250°C.
/
/
Вторым недостатком является отсутствие полного обрыва тока из-за того, что центральный pn-переход после резкого спада тока, вызванного образованием области сильного поля в p-слое, остается залитым электронно-дырочной плазмой с высокой проводимостью.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение этих недостатков, а именно, уменьшение длительности термообработки при изготовлении полупроводниковой структуры и обеспечение полного обрыва тока при выключении.
Сущность полезной модели и ее отличие от прототипа.
+
/
/
+
+
/
+
/
7
+
+
/
7
0
0
0
0
0
0
0
Поставленная цель достигается в показанной на рис. 2 диодной pppnn-структуре, отличающейся от ppnn-структуры-прототипа тем, что базовая область имеет, в отличие от прототипа, не n, а p-тип проводимости и состоит из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием p-типа проводимости, а другой - более сильно легированным слоем p-типа проводимости, полученным, например, путем диффузии примеси p-типа, например, бора на глубину 20-70 мкм в исходный p-материал; одновременно создается n-слой путем диффузии фосфора с противоположной стороны пластины. Величина удельного сопротивления p-слоя выбирается в диапазоне от 5 до 100 Ом·см, высоколегированные эмиттерные p и n слои создаются диффузией бора и фосфора с противоположных сторон пластин; при этом n-слой, создаваемый диффузией фосфора в исходный p - материал, образует блокирующий np-переход.
+
/
/
+
0
Процесс обрыва тока в предлагаемой pppnn- диодной структуре протекает следующим образом.
/
+
/
/
/
0
0
0
0
Коротким импульсом тока в проводящем направлении в базовые p и p-слои вводится электронно-дырочная плазма, распределение которой показано на рис. 2а, кривая 1. Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока. (Рис. 2б, в) У pp-границы образуется резкий плазменный фронт 2, перемещающийся вправо к pp - переходу, (рис. 2б). Когда плазменный фронт переходит в область p, то концентрация перемещающихся влево дырок в потоке сразу превышает концентрацию легирующей примеси в месте расположения фронта, сопротивление области 3 (рис. 2в) диода резко возрастает и почти весь ток вытесняется в нагрузку; эта стадия процесса аналогична SOS-процессу в прототипе, но развивается этот процесс не в диффузионном p-слое, а в исходном материале с однородно распределенной концентрацией pлегирующей примеси.
/
/
0
0
Одновременно с этим происходит спад концентрации плазмы справа, у np-перехода; этот процесс происходит медленнее, поскольку удаляемые из плазмы электроны имеют втрое большую подвижность, чем дырки. Когда концентрация спадает до нуля, np-переход смещается в обратном направлении, сопротивление его резко возрастает из-за образования области объемного заряда и ток полностью обрывается.
Конкретный пример выполнения.
19
20
-3
+
/
+
0
0
В пластину кремния с p-типом проводимости и удельным сопротивлением 80 Ом·см была проведена совместная диффузия бора с одной и фосфора с другой стороны пластины на глубину 65 мкм и 55 мкм соответственно; поверхностная концентрация составляла 5×10 и 1×10см соответственно. Толщина центральной области исходного кремния p составляла 80 мкм. Контакты к полученной таким образом pppn-структуре создавались методом химического никелирования с последующим вжиганием, а затем из нее вырезались алмазным инструментом диски диаметром 1,2 мм со скошенной боковой поверхностью. Затем боковая поверхность очищалась травлением и покрывалась защитным компаундом.
2
2
/
0
Осциллограмма процесса обрыва тока в таком диоде приведена на рис. 3. После протекания импульса прямого тока с длительностью 40 нс и амплитудой 8 А (плотность тока 730 кА/см) к диоду прикладывается обратное напряжение; обратный ток (кривая 1) за ~10 нс нарастает до величины ~25 А (плотность 2,2 кА/см). Согласно описанной модели, за это время плазменный фронт сначала перемещается по p-слою; затем переходит в p-слой, сопротивление диода резко возрастает и ток за ~2 нс переходит из диодной цепи в цепь нагрузки почти полностью. В момент обрыва тока напряжение на диоде (кривая 2) за ~2 нс возрастает до 470 В.
Список литературы:
1. Патент Российской Федерации РФ №2059345, H05P 5/04
2. Патент RU 2156014 C1, Н01Д 29/86 от 04.02.1999 г.