ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД С РЕЗКИМ ОБРЫВОМ ОБРАТНОГО ТОКА

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована для генерации коротких мощных импульсов тока в устройствах с индуктивными накопителями энергии.
+
/
+
+
/
+
Известен высоковольтный кремниевый диод - дрейфовый диод с резким восстановлением (ДДРВ), способный обрывать обратный ток за единицы наносекунд и даже доли наносекунды. Этот диод был впервые предложен в 1983 г. [1] и наиболее подробно описан в [2]. Полупроводниковая структура диода содержит сильнолегированный p-слой, примыкающий к нему р-слой с умеренным легированием, затем слаболегированный N-слой и, примыкающий к нему сильнолегированный n-слой. Конструкция ррNn-структуры диода показана на Рис.1а.
/
17
18
-3
+
+
19
20
-3
Путем длительной термодиффузии примеси р-типа (обычно Аl или Ga)в исходном кремнии N-типа проводимости создается глубокий (70÷100 мкм) p-N переход с относительно невысокой (10-10 см) поверхностной концентрацией, а затем короткой диффузией соответствующих примесей (обычно бор и фосфор) создаются тонкие (5-10 мкм) инжекторные р и n-слои с высокой (10-10 см) концентрацией примеси.
Работает этот диод следующим образом.
/
/
/
7
/
/
/
После протекания короткого (десятки наносекунд) импульса прямого тока в p и N-слоях формируется нестационарное распределение электронно-дырочной плазмы (Рис.1, кривая 1). Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока. За счет выноса из плазмы электронов и дырок в р⁄ и N-слоях формируются фронты концентрации 2 и 3, движущиеся навстречу друг другу. Для быстрого обрыва обратного тока необходимо, чтобы эти фронты встретились точно в плоскости рN-перехода: в этом случае образующийся на рN -переходе область объемного заряда (ООЗ) расширяется очень быстро за счет выноса основных носителей с насыщенной скоростью (~10см/сек), поскольку плазмы в N-базе уже нет. Характерное время обрыва обратного тока в этом случае составляет единицы и даже доли наносекунды. Для того, чтобы плазменные фронты встретились в плоскости рN -перехода, общее количество плазмы в р и N-слоях должно быть обратно пропорционально подвижности выносимых из этого слоя носителей. Поскольку в кремнии подвижность дырок втрое меньше, чем электронов, то и количество плазмы в р-слое должно быть втрое больше, чем в N-слое. Именно поэтому импульс прямого тока, вводящий плазму в диод, должен быть коротким, а Р⁄-слой должен быть широким (обычно 70÷100 мкм), ширина же N-слоя должна быть примерно равной ширине области объемного заряда (ООЗ) при полном обратном напряжении, блокируемом прибором.
/
Этот прибор - ДДРВ - является аналогом предлагаемой полезной модели. Недостатками аналога является малая импульсная мощность из-за того, что короткий импульс накачки не позволяет ввести достаточное количество плазмы для генерации импульса обратного тока с большой амплитудой. Другим недостатком является необходимость создания широкой р-области (70÷100 мкм), в которой запасается основное количество плазмы; для создания такой области методом термодиффузии необходимо проводить длительную (десятки часов) термообработку пластин.
+
+
/
/
/
/
Известен также высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления [3], содержащий два сильнолегированных р- и n-слоя и два слаболегированных р и N-слоя, расположенных между сильнолегированными слоями, в котором толщина слаболегированного р-слоя превышает толщину слаболегированного N-слоя, но при этом глубина залегания рN-перехода не превосходит 170 мкм. В таком диоде импульс прямого тока может быть достаточно длинным для создания квазистационарного распределения плазмы в pи N-слоях, а необходимое для быстрого обрыва обратного тока соотношение количества плазмы (3÷1) в этих слоях определяется соотношением их толщин, т.е., N-слой должен быть примерно втрое тоньше р-слоя. В отличие от аналога, длинный импульс прямого тока вводит в прибор большое количество плазмы, позволяющее создать импульс обратного тока с большой амплитудой. Этот прибор является прототипом предлагаемой полезной модели.
/
/
B
Основным недостатком прототипа является низкое рабочее напряжение. Даже в предельном случае, при толщине р-слоя 170 мкм, толщина N-слоя должна быть ≤60 мкм, что соответствует напряжению пробоя U~600 В. Другим недостатком является высокая стоимость процесса изготовления, поскольку для создания диффузионного рN-перехода глубиной ~170 мкм необходимо проводить очень длительный процесс термообработки пластин (десятки часов).
Целью предлагаемой полезной модели является устранение недостатков прототипа, т.е., повышение рабочего напряжения диода с резким обрывом обратного тока и удешевление технологического процесса изготовления.
Сущность изобретения и его отличие от прототипа.
+
+
+
1
р
Поставленная цель достигается в полупроводниковой диодной структуре, показанной на Рис.2, и содержащей сильнолегированные слои р и n-типа проводимости и расположенный между ними слаболегированный N-слой с толщиной W, в который со стороны n-слоя введены на глубину W рекомбинационные центры, снижающие время жизни неосновных носителей тока τ. Необходимая глубина введения рекомбинационных центров и их концентрация рассчитываются в каждом конкретном случае, исходя из требуемых характеристик диода - рабочего напряжения, амплитуды обрываемого тока и времени его обрыва.
Работает диод следующим образом.
2
р2
1
р1
1
2
1
+
+
+
+
+
+
+
+
+
/
Длительный импульс прямого тока создает в N-слое квазистационарное распределение концентрации электронно-дырочной плазмы (кривая 1 на Рис.2). В области W этого слоя, куда не введены рекомбинационные центры, время жизни носителей τ велико и поэтому концентрация плазмы уменьшается медленно по мере удаления от рN-перехода, а при переходе в область W с малым временем жизни носителей тока τ концентрация плазмы резко снижается. Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока. При этом у рN-перехода начинает снижаться концентрация плазмы из-за выноса дырок через рN-переход, а у nN-перехода формируется концентрационный фронт, который быстро перемещается к рN-переходу, оставляя за собой область, свободную от плазмы (кривая 2 на Рис.2). Глубина введения W рекомбинационных центров и их концентрация, а также параметры импульсов прямого и обратного токов рассчитываются так, чтобы концентрационный фронт достиг рN-перехода одновременно с уменьшением около него до нуля концентрации плазмы вследствие выноса дырок обратным током. В этом случае, подобно аналогичной ситуации в ДДРВ, образующаяся у рN-перехода ООЗ расширяется очень быстро и ток обрывается за единицы наносекунд. Однако, в отличие от ДДРВ, длинный импульс прямого тока вводит в N-слой большое количество плазмы, что позволяет сформировать импульс обратного тока с большой амплитудой в момент обрыва. В то же время, в отличие от прототипа, возникающая при обрыве тока ООЗ может расширяться на всю толщину N-слоя (W+W) и диод после восстановления может блокировать большое напряжение. Кроме того, в отличие от аналога и прототипа, при изготовлении диода отсутствуют длительные диффузионные процессы, поскольку сильнолегированные p и n-слои имеют глубину ~10 мкм, т.е., на порядок меньше, чем глубина рN-переходов в аналоге и прототипе.
2
Принципиально важным параметром является толщина области W, свободной от рекомбинационных центров, поскольку запасаемое в ней количество плазмы определяет величину импульса обратного тока в момент обрыва и, следовательно, импульсную мощность в нагрузке. Точное определение оптимального значения этого параметра возможно только численным моделированием всех этапов процесса введения и экстракции плазмы.
2
2
2
Однако, наши эксперименты показали, что оптимальные значения W лежат в пределах W/4≤W≤W/2. В этих пределах значений W при соответствующей подстройке параметров импульсов прямого и обратного токов можно сформировать наносекундный обрыв импульс обратного тока большой амплитуды.
Конкретный пример выполнения
S
1
19
-3
20
-3
+
+
В кремниевые пластины с удельным сопротивлением ρ=60 Ом. см была проведена короткая диффузия бора с поверхностной концентрацией P=5·10 см на глубину 15 мкм (температура диффузии 1200°С, время диффузии 2 часа), затем с противоположной стороны был удален слой толщиной 15 мкм и проведена диффузия фосфора с поверхностной концентрацией 1·10 см на глубину 10 мкм. Толщина базовой N-области с ρ=60 Ом. см составляла 200 мкм. Затем методом химического никелирования и вжигания были созданы металлические контакты к n и р-слоям, после чего в N-базе была создана области W с повышенной концентрацией рекомбинационных центров двумя методами:
+
1. Облучением пластин со стороны n-слоя пучком электронов с энергией, близкой к порогу дефектообразования, который в кремнии равен ~300 килоэлектронвольт (кэВ). Ранее нами было показано [4], что облучение пластин кремния с толщиной в сотни микрон электронами с энергией ниже 600 кэВ позволяет получить профильное распределение концентрации рекомбинационных центров в направлении движения пучка из-за потери энергии электронов (0.4 кэВ/мкм) при рассеянии на решетке кремния.
+
1
2
1
2. Облучение пластин со стороны n-слоя протонами с энергией, обеспечивающей создание максимума концентрации рекомбинационных центров на границе между областями W и W в N-области, т.е. в этом случае толщина области W будет равна средней длине пробега в кремнии протонов с заданной энергией.
16
-2
Типичные осциллограммы процесса нарастания тока в нагрузке (в безиндуктивном сопротивлении 50 Ом) при резком обрыве обратного тока в диоде, облученном электронами с энергией 500 кэВ и дозой 3·10 см, приведены на Рис.3а, б, в.
F
1
1
ш
1
R
2
2
2
ш
н
н
2
2
10
-2
Схема установки для измерения параметров процесса приведена на Рис.3а. Импульс прямого тока, I, вводящий плазму в исследуемый диод D, создается разрядом конденсатора C через индуктивность L и шунт R при замыкании ключа K. Затем через диод пропускается быстронарастающий импульс обратного тока I по цепи C-K-L-D-R, который резко обрывается при восстановлении диода D и перебрасывается в нагрузку R. На Рис.3б приведены эпюры прямого и обратного тока через диод с рабочей площадью 0.1 см, а на Рис.3в - осциллограмма импульса напряжения на омической нагрузке R=50 Ом. Как видно из приведенных материалов, диод с предлагаемой конструкцией полупроводниковой структуры позволяет при накачке длинным (≥1.0 мкс) импульсом прямого тока небольшой (2 А) амплитуды обрывать за ~1.5 нс обратный ток с амплитудой 32 А и формировать в нагрузке импульс с напряжением 1600 В и пиковой мощностью более 50 kW, т.е. 500 kW/см. Примерно аналогичный вид имеют осциллограммы резкого обрыва обратного тока в диодах, облученных протонами. Облучение производилось протонами с энергией 4 мэВ (длина пробега 150 мкм) и дозой 3·10 см.
Список литературы
1. И.В.Грехов, В.М.Ефанов, А.Ф.Кардо-Сысоев, С.В.Шендерей
«Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на диодах с дрейфовым механизмом восстановления»
Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.7, (аналог)
2. И.В.Грехов, Г.А.Месяц
«Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов»
УФН, 2005, т.П5, №7, с.735-744.
3. А.С.Кюрегян
«Высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления»
Патент РФ №2197034, класс Н011. 29/861, приоритет от 30.07.2001 (прототип).