ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД С НАНОСЕКУНДНЫМ ОБРЫВОМ ОБРАТНОГО ТОКА

Область техники к которой относится полезная модель
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.
Уровень техники
Известно, что мощные кремниевые диоды могут быть использованы в качестве наносекундного размыкателя тока в генераторах импульсов с индуктивными накопителями энергии (Патент RU 2 059 345 C1, заявка от 29.03.1993 г.).
+
+
/
+
/
+
+
+
19
-3
/
/
16
18
-3
15
13
-3
0
0
0
0
В указанном патенте было предложено применить для этой цели серийные высоковольтные выпрямительные столбы, имеющие высоколегированные эмиттерные слои n и р типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах кремниевой пластины n типа проводимости, и блокирующий рn-переход, выполненный путем диффузии легирующей примеси в кремний со стороны р-эмиттера на глубину 75-125 мкм. Таким образом, базовая область между р и n слоями имела n-тип проводимости. Здесь и далее: - n, р- сильнолегированные (более 1⋅10 см) слои кремния n и р-типа проводимости, -n, р - слои кремния со средним уровнем легирования (10-10 см), -n, р - исходный материал n и р-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, способен обрывать обратный ток с плотностью в десятки кА/см за время в десятки наносекунд.
/
+
/
+
2
0
0
В патенте RU2 156 014 С1 от 04.02.1999 г. предложено увеличить глубину залегания рn-перехода в кремниевой ррnn-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 размыкаемого тока в импульсе - до нескольких десятков кА/см, что позволяет создавать на их основе сверхмощные размыкатели.
/
+
/
+
/
+
/
+n
+
/
+
+
/
2
0
0
Численное моделирование показывает, что процесс обрыва тока в таком SOS-диоде протекает следующим образом. Коротким импульсом тока в проводящем направлении в р и no-слои вводится электронно-дырочная плазма. Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит нарастающий импульс обратного тока. На левой рр-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 рp-границы примерно втрое больше, чем электронов у n-границы при одинаковой плотности тока и фронт электронно-дырочной плазмы перемещается от рp-границы вправо быстрее, чем фронт от nn границы влево. Затем, когда нарастающая концентрация свободных дырок в потоке у рp-границы превышает концентрацию легирующей примеси, там начинается резкое возрастание электрического поля, сопротивление диода соответственно возрастает и ток вытесняется в параллельно включенную нагрузку. Это и есть так называемый SOS-эффект, позволяющий выключать ток с очень высокой плотностью - несколько десятков тысяч А/см.
/
0
Недостатком такой конструкции SOS-диода является большая глубина залегания диффузионного рn-перехода (180-220 мкм), для получения которой необходима долговременная, несколько суток, термообработка при температуре около 1250°С. Недостатками также являются относительно малая скорость обрыва тока и большие коммутационные потери.
+
/
/
+
+
/
/
+
/
/
+
+
/
/
0
0
0
0
0
0
0
Эти недостатки в значительной степени устранены в описанной в патенте на полезную модель RU 160 232 U1 от 19.05.2015 г. диодной рppnn-структуре, отличающейся от рppnn-структуры тем, что базовая область имеет не n, а р-тип проводимости и состоит из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием р-типа проводимости, а другой - более сильно легированным слоем р-типа проводимости, полученным, например, путем диффузии примеси р-типа, например, бора на глубину 20-70 мкм в исходный р-материал; одновременно создается n-слой путем диффузии фосфора с противоположной стороны пластины. Величина удельного сопротивления р-слоя выбирается в диапазоне от 5 до 100 Ом⋅см, высоколегированные эмиттерные р- и n-слои создаются диффузией бора и фосфора с противоположных сторон пластин; при этом n-слой, создаваемый диффузией фосфора в исходный р-материал, образует блокирующий nр-переход.
+
/
/
+
/
+
/
/
0
0
0
0
Процесс обрыва тока в рppnnдиодной структуре протекает следующим образом. Коротким импульсом тока в проводящем направлении в базовые р- и р слой вводится электронно-дырочная плазма, распределение которой показано на Фиг. 1а, кривая 1. Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока (Фиг. 16, в). У рр-границы образуется резкий плазменный фронт (2), перемещающийся вправо к рр-переходу, (Фиг. 16). Когда плазменный фронт переходит в р-область, концентрация перемещающихся влево дырок в потоке сразу становится существенно выше концентрации легирующей примеси в месте расположения фронта, что приводит к формированию области объемного заряда (3, Фиг. 1в), сопротивление диода резко возрастает и почти весь ток вытесняется в нагрузку.
/
/
0
0
Одновременно с этим происходит спад концентрации плазмы справа, у nр-перехода; nр-переход смещается в запорном направлении, около него образуется область объемного заряда (4) с высоким сопротивлением и ток через диод обрывается.
19
20
-3
0
Результаты экспериментального исследования процесса выключения SOS-диодов такой конструкции приведены на Фиг. 2. Диодные структуры с диаметром 0,85 мм были изготовлены из кремния р-типа проводимости с ρ≈40 Ом⋅см путем совместной диффузии бора с одной и фосфора с другой стороны пластины на глубину 70 мкм и 60 мкм соответственно; поверхностная концентрация составляла 8⋅10 и 1⋅10 см соответственно. Толщина центральной области исходного кремния р составляла 80 мкм.
2
2
/
0
После протекания импульса прямого тока с длительностью 40 нс и амплитудой 10 А (плотность тока ~1,8 кА/см) к диоду прикладывается обратное напряжение; обратный ток (кривая 6) за ~12 нс нарастает до величины ~30 А (плотность ~5,3 кА/см). Согласно описанной модели, за это время плазменный фронт сначала перемещается по р-слою; затем переходит в р-слой, где концентрация свободных дырок превышает концентрацию легирующей примеси, 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 7) за ~2 нс возрастает до 450 В.
Описанная конструкция диода с резким обрывом обратного тока позволяет получить значительно лучшее быстродействие и имеет значительно более простую технологию изготовления. Однако существенным недостатком ее являются значительные потери энергии на этапе рассасывания плазмы импульсом обратного тока. Это хорошо видно на осциллограммах процесса обрыва тока, приведенных на Фиг 2: падение напряжения на диодной структуре перед обрывом тока составляет десятки вольт.
/
/
0
0
Численное моделирование показало, что падение напряжения связано с тем, что уже в самом начале процесса обрыва тока в области nр-перехода формируется резкий пик напряженности электрического поля (5, Фиг. 16), создаваемый свободными электронами, поступающими из электронно-дырочной плазмы по мере продвижения плазменного фронта в сторону nр-перехода; это область сильного поля существует в течение всего процесса выноса плазмы, и именно в этой области происходят значительные потери энергии при протекании обратного тока с большой плотностью.
Раскрытие сущности полезной модели
Предлагаемая полезная модель позволяет снизить потери энергии в диодном размыкателе при наносекундном размыкании тока с большой плотностью по сравнению с описанными выше аналогами.
+
/
/
+
+
/
/
+
+
/
+
/
18
-3
+
/
+
/
/
/
0
0
0
0
0
0
Указанная цель достигается в показанной на Фиг. 3 кремниевой рppnn-структуре, отличающейся от рppnn-структуры аналога тем, что рр-слои выполнены в виде сетки рр-каналов (8) в исходном р материале, создаваемых путем термодиффузии примеси, с поверхностной концентрацией ~1⋅10 см на глубину, меньшую толщины базовой области, причем ширина каналов и расстояние между их боковыми стенками примерно равны расстоянию от торца канала до границы nn-слоя, а ширина области между торцом канала и границей nn-слоя примерно равна ширине области объемного заряда при пробое pn-перехода. Толщина и уровень легирования р-слоя определяются исходя из соотношения между требуемым напряжением пробоя pn-перехода и быстродействием.
+
/
+
/
+
/
+
/
/
/
+
/
+
/
+
/
+
/
/
+
/
0
0
0
Процесс резкого обрыва тока в предлагаемой конструкции полупроводникового диода протекает следующим образом. Импульсом тока длительностью в несколько десятков наносекунд в проводящем направлении в ро-базовый слой диода вводится квази-нейтральная электронно-дырочная плазма путем локальной инжекции дырок из рр-каналов и встречной инжекции электронов из nn-слоя по всей его площади. Пространственное распределение плазмы имеет вид конусов, расширяющихся по направлению к nn-слою (9). Поскольку расстояние между рp-каналами не превышает толщину р-слоя между торцом канала и pn-переходом, распределение электронно-дырочной плазмы достаточно однородно по площади pn-перехода. Когда при выключении к диоду прикладывается обратное напряжение, импульс обратного тока в цепи анода протекает в основном через рp-каналы, плотность тока дырок в рp-каналах нарастает быстрее, чем плотность тока электронов через nn-переход, поскольку площадь сечения каналов существенно меньше общей площади структуры. Поэтому область сильного поля на свободных дырках в рр-каналах образуется при меньшем общем токе через диод, и раньше, чем формируется значительная область сильного поля на свободных электронах в n-слое. Поэтому ток вытесняется из диода в нагрузку раньше, чем начинаются существенные потери энергии в nn-слое. На Фиг. 4 приведены осциллограмма коммутации тока в диоде предлагаемой конструкции; падение напряжения на диоде вплоть до начала обрыва тока не превышает нескольких вольт, а напряжение на приборе после обрыва тока возрастает до ~700 В.
Краткое описание чертежей
+
/
/
+
0
Фиг. 1. Стадии процесса обрыва тока в pppnnдиодной структуре:
а) Накачка базовых областей электронно-дырочной плазмой (1) коротким импульсом тока в проводящем направлении.
+
/
/
+
б) Начало процесса рассасывания электронно-дырочной плазмы (1) импульсом обратного тока, сопровождающегося формированием резкого плазменного фронта у рp-границы (2) и пика напряженности электрического поля (5) в области nn-границы.
0
0
/
в) Стадия обрыва тока. Формирование областей объемного заряда в р-области (3) и вблизи pn-перехода (4).
+
/
/
+
0
Фиг. 2. Осциллограмма тока (6), обрываемого pppnnSOS-диодом, и форма
+
/
/
+
+
/
0
импульса напряжения на нагрузке (7). Фиг. 3. Конструкция предлагаемой в данной полезной модели pppnnдиодной структуры, отличающейся от прототипов наличием рp-каналов (8).
0
/
Пространственное распределение плазмы (9), инжектируемой в базовую область в процессе накачки импульсом тока в проводящем направлении, имеет вид конусов, расширяющихся по направлению к pn-переходу. Фиг. 4. Осциллограмма тока (10), обрываемого диодом предлагаемой конструкции, и форма импульса напряжения на нагрузке (11).
Осуществление полезной модели
1. В пластину кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением 60 Ом⋅см проводилась диффузия фосфора в течении 30 минут при температуре 1150°С из фосфоросиликатного стекла, нанесенного на поверхность пластины, затем пластина шлифовалась с одной стороны до толщины ~ 220 мкм и окислялась в токе кислорода в течение 2 часов при 1250°С.
2. На шлифованной стороне методом фотолитографии удалялся окисел в сетке скрещенных полос шириной 50 мкм, между которыми оставались квадраты окисла размером 200×200 мкм; после чего проводилась короткая диффузия бора в кремний в свободные от окисла полосы при температуре 1150°С в течение 30 минут; стравливание окисла с обеих сторон пластины и термообработка при температуре 1250°С в течении 50 часов.
3. После термообработки и нанесения контактов проводилась вырезка из пластины образцов требуемого диаметра, обработка и защита краевого контура.
2
Типичные характеристики процесса размыкания тока в полученных высоковольтных диодах показаны на Фиг. 4. Диод размыкает за 2 нс ток с плотностью ~4 кА/см (кривая 10), и формирует на нагрузке импульс с амплитудой 700 В (кривая 11).
Принципиальной особенностью предлагаемой полезной модели является существенно меньшие потери энергии в приборе на этапе нарастания обратного тока вплоть до начала резкого обрыва тока диодом и переключения тока в нагрузку.