СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР
POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к силовому полупроводниковому приборостроению, и может использоваться при создании мощных полностью управляемых гибридных ключей. Такие ключи должны включаться и выключаться сигналом управления.
Известны мощные запираемые тиристоры (ЗТ), например, фирмы ABB (http://www. abb.com/ semiconductors [1]). Эти приборы в комплекте с драйвером имеют название IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor). Здесь ЗТ таблеточной конструкции зажимается в двусторонний теплоотвод, а драйвер находится снаружи. В драйвере формируются сигналы управления для включения и выключения от напряжения, меньшего 20 В, с длительностью от десятков до сотен мкс, с большой амплитудой управляющего тока, примерно равной анодному току. Это необходимо для равномерного включения и выключения кристалла ЗТ большой площади.
С 1970-х годов известна идея запирания ЗТ в каскодной схеме, где для запирания не требуется большой ток управления (Булатов О.Г. и др. Обратимый импульсный преобразователь на полностью управляемых приборах для электропривода постоянного тока. - Труды МЭИ, вып.382, 1978, с.42 [2]). В каскодной схеме катодный эмиттер ЗТ соединяется с катодом ключа (КК) через первый транзистор Тр1, а управляющий электрод (УЭ) ЗТ соединяется с КК через второй транзистор Тр2. Во включенном состоянии анодный ток протекает через ЗТ и включенный Тр1, при этом Тр2 закрыт. Для выключения Тр1 закрывается путем снятия сигнала управления, таким образом эмиттер ЗТ отрывается от КК, и одновременно включается Тр2. Анодный ток направляется в УЭ ЗТ, играя роль управляющего тока большой амплитуды, что приводит к запиранию ЗТ
В 1997 г. в США запатентованы электрические схемы гибридных и интегральных каскодных ключей (Патент WO 9917374 [3]). Ключ назван автором ЕТО (Emitter Turn-Off Thyristor). В этом решении используются полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП). Использование МОП-транзисторов приводит к полевому управлению ключом (управлению потенциалом, расходующим микро- или милливатты). В работе 2002 г. с участием того же автора (Bin Zhang, Huang A.Q., Yunfeng Liu, Atcitty S. Performance of the new generation emitter turn-off (ЕТО) thyristor. - IEEE IAS, v.1, 2002, pp.559-563 [4]) показана конструкция ЕТО с наружным драйвером, как и в [1]. Недостатками конструктивных решений [1] и [4] являются некомпактность ключа, проблемы с отводом тепла от драйвера, небходимость защиты драйвера от внешних воздействий и загрязнения.
Проблемы с компактностью и отводом тепла от драйвера отчасти решены в конструкции, наиболее близкой к предлагаемому решению (Surma A.M., Prikhodko A.I., Pocrovsky S.V. Fast High Power Switch - Emitter commutated thyristor. - Conf. Proc. PEVD 98. - London, 1998, p.p.242-245[5]). Здесь МОП-транзисторы каскодного драйвера установлены на краях таблеточного металлического основания, на которое помещена пластина из теплопроводной электроизолирующей керамики. На керамическую пластину устанавливается силовой ЗТ в таблеточном корпусе. Вся конструкция зажимается в двухсторонний теплоотвод. Керамическая пластина изолирует ЗТ от катода ключа КК и в то же время обеспечивает эффективный отвод тепла от ЗТ. Недостатком решения-прототипа [5] является то, что ЗТ и МОП-транзисторы используются в отдельных корпусах. Это оставляет нерешенными проблемы защиты драйвера от механических и химических воздействий и загрязнения.
Целью предлагаемого решения является создание гибридного ключа на силовом ЗТ с каскодным МОП-драйвером в одном таблеточном корпусе.
Для этого в силовом полупроводниковом приборе, содержащем силовой запираемый тиристор и каскодный МОП-драйвер, согласно предлагаемому изобретению кристаллы силового запираемого тиристора и МОП-транзисторов помещены в один таблеточный корпус, а в качестве теплопроводящих электроизолирующих слоев используются нанокристаллические алмазные пленки, получаемые газофазным синтезом (CVD) или плазменно-газофазным синтезом (PECVD).
CVD и PECVD - международные обозначения технологических процессов осаждения поликристаллических, нанокристаллических и монокристаллических пленок. CVD - chemical vapor deposition (химическое осаждение из газовой фазы); PECVD - plasma enchanced chemical vapor deposition (химическое осаждение из газовой фазы, улучшенное плазмой).
На фиг.1 представлена электрическая схема прибора по предлагаемому изобретению.
На фиг.2 представлена конструкция прибора. Обозначены: 1 - корпус прибора; 2 - катодная крышка корпуса; 3 - полупроводниковый кристалл ЗТ; 4 - анодный молибденовый (Мо) диск; 5 - катодный Мо диск с фланцем, кольцевой проточкой для установки кольцевого прижимного УЭ ЗТ и проточками для установки шин, соединяющих УЭ ЗТ со стоками кристаллов МОП-2; 6 - кольцевой прижимной УЭ ЗТ; 7 - шина; 8 и 9 - нанокристаллические алмазные пленки.
На фиг.3 для силового прибора на токи в несколько тысяч ампер представлена схема расположения МОП-транзисторов и присоединения их выводов. МОП-1 и МОП-2 представляют собой группы параллельно соединенных кристаллов полевых транзисторов, поскольку такие приборы на тысячи ампер отсутствуют.
Разрез на фиг.2 проходит через МОП-2 соответственно фиг.3. Как видно из фиг.2 и 3, кристаллы всех МОП-транзисторов равномерно расположены вокруг кристалла ЗТ. При этом МОП-2 равномерно расположены между группами МОП-1. Это обеспечивает равномерное распределение силового тока как во включенном состоянии, так и в переходных процессах.
Все контакты к кристаллу ЗТ - прижимные, к кристаллам МОП-транзисторов - паяные. Кристаллы МОП-1 напаиваются стоками на фланец катодного Мо-диска. Стоки МОП-2 изолируются от фланца алмазной пленкой 8. Как видно из фиг.2 и 3, на пленке 8 расположены металлические площадки для напайки стоков МОП-2, а также два металлических кольца для напайки затворных выводов МОП-1 и МОП-2. Площадки и кольца созданы напылением металла с последующей фотолитографией. Нанокристаллические алмазные пленки 8 и 9 могут быть осаждены на катодный Мо-диск в процессах CVD или PECVD с применением маски для пленки 8. Истоковые выводы всех МОП-транзисторов напаиваются на катодную крышку корпуса. Алмазная пленка 9 электрически изолирует кристалл ЗТ от катодной крышки. Теплопроводящие электроизолирующие алмазные пленки 8 и 9 обеспечивают отвод тепла от всех кристаллов прибора.
Работа прибора.
В закрытом состоянии ключа (фиг.1 и фиг.2) напряжение между катодом и анодом блокируется запираемым тиристором, МОП-1 и МОП-2 закрыты. Включение ключа осуществляется подачей относительно катода отпирающего сигнала на УЭЗ для включения ЗТ и одновременно подачей отпирающего сигнала на УЭ1 для включения МОП-1. Анодный ток протекает через ЗТ и МОП-1. Выключение ключа производится подачей отпирающего сигнала на УЭ2 для включения МОП-2 с одновременным снятием сигнала с УЭ1. Это приводит к выключению МОП-1, отрыву ЗТ от КК, протеканию анодного тока через УЭ ЗТ и МОП-2 к КК и запиранию ЗТ и, соответственно, ключа. После завершения переходного процесса выключения сигнал с УЭ2 снимается.
DS(on)
Создание силовых каскодных схем стало целесообразным только в настоящее время, когда промышленно производятся сильноточные МОП-транзисторы на постоянный ток свыше 100 А, импульсный ток свыше 1000 А, с сопротивлением во включенном состоянии R в 1 или 2 миллиОм (мОм) (http://www.irf.com [6]). Это позволяет получать на МОП-1 падения напряжения не более 0,3 В, и суммарное падение напряжения на ключе практически не отличается от падения напряжения на ЗТ.
Целесообразность применения нанокристаллических алмазных пленок в предлагаемой конструкции прибора обусловлена следующим.
2
3
Алмаз - диэлектрик, имеющий высокую теплопроводность. В настоящее время из доступных материалов таким сочетанием электрофизических параметров обладают керамики, например, AlO и Al N. Керамические диски с требуемым диаметром ≥12 см до настоящего времени не производятся, а диски с диаметром 10 см даже при толщине 1 мм часто не выдерживают стандартное прижимное усилие.
14
2
9
Очевидно, что к алмазной пленке 9 не может прикладываться напряжение, бóльшее допустимого напряжения сток-исток сильноточных транзисторов МОП-1, поскольку они находятся под тем же потенциалом (ток через МОП-1 «огибает» пленку 9. Это напряжение не превышает обычно 40-60 В. Удельное сопротивление ρ нанокристаллических алмазных пленок, получаемых в СВЧ-плазме, приближается к ρ монокристаллов и может составлять порядка 10 Ом·см («Ультрананокристаллические алмазные пленки», Труды Форума Rusnanotech'08, т.1, стр.809-811 [7]). Таким образом, сопротивление R пленки с радиусом r=6 см и толщиной 1=10 мкм, рассчитанное как R=ρ·1/π·r, равно 10 Ом, что вполне достаточно. То же справедливо для пленки 8, тем более что она имеет меньшую площадь.
Шероховатость поверхности нанокристаллических алмазных пленок составляет от единиц до сотен нанометров [7], то есть пленка более гладкая, чем керамическая поверхность. Кроме того, толщина керамики ≥1 мм создавала бы проблему для ее размещения в корпусе.
В последние 10 лет во многих запатентованных конструкциях полупроводниковых приборов, особенно в больших интегральных схемах, используются алмазные слои как теплопроводные диэлектрики.
Решений по применению нанокристаллических алмазных пленок в силовых полупроводниковых приборах не обнаружено.