УЛЬТРАБЫСТРЫЙ, ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫЙ, МОЩНЫЙ, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИОД В МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ КОРПУСАХ

Полезная модель представляет собой мощный ультрабыстрый высоковольтный высокотемпературный диод в металлокерамических, металлостеклянных корпусах с штыревыми выводами кругового или прямоугольного сечения для применения в различных радиоэлектронных устройствах и может быть использована в производстве в радиоэлектронной, электротехнической и других отраслях промышленности.
В конструкции мощных быстродействующих высоковольтных диодов в металлокерамических, металлостеклянных корпусах по типу ТО-253, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, РРАК, КТ-97А, А-4; КТ-97В, В-4 и их пятивыводных и семивыводных модификациях на токи до 150 А и напряжения до 1200 и выше используют следующие типы диодных полупроводниковых приборов:
- кремниевые диффузионные высоковольтные быстродействующие диодные кристаллы, выполненные на высокоомных эпитаксиальных или монокристаллических кремниевых подложках (пластинах);
- кремниевые высоковольтные быстродействующие диодные структуры с металлическим барьерным контактом Шоттки;
- арсенид-галлиевые диодные высокоскоростные кристаллы с металлическим барьером Шоттки;
- карбид-кремниевые высокоэнергетичные диодные кристаллические структуры с металлическим контактным барьером Шоттки.
Реальная эксплуатация полупроводниковых диодов в радиоэлектронной аппаратуре сопряжена со значительными мощностными и температурными нагрузками. Эффективность таких приборов в сильной степени определяется максимальной рабочей температурой внутри диодного кристалла, чаще всего на физической или металлургической границе р-n перехода или барьера Шоттки, температурой окружающей среды, температурой корпуса.
F
Предельная температура кремниевых кристаллических диодных структур ограничена значением +175°С. Верхний предел температур металлокерамических корпусов ограничен температурой +125°С. В диапазоне рабочих температур на корпусе в пределах 80÷100°С начинается резкое изменение прямой вольт-амперной характеристики кремниевых диодов, связанной с отрицательным температурным коэффициентом токовой характеристики и последующим уменьшением значения прямого напряжения смещения р-n перехода U, что приводит к температурной нестабильности неравномерного распределения электронно-дырочной плазмы в высокоомной катодной области кристалла. Плотность заряда увеличивается и концентрируется в центральных областях диодной структуры. Все это приводит к затягиванию динамики переключения диодных кремниевых структур и резкому ухудшению быстродействия. В конечном счете все вышесказанное может привести к потере работоспособности кремниевых диодов. Становится очевидным, что параллелить включение данных диодов нельзя, т.е., к примеру, выполнение скоростных мощных диодных сборок на основе кремниевых структур, например, однофазных полумостовых схем, очевидно, невыполнимая задача, даже создание мощных выпрямительных силовых блоков проблематично с использованием параллеливания кристаллов на одно плечо выпрямительного блока.
В настоящее время рядом зарубежных фирм, таких как Semelab, IXYS выпускаются более высокотемпературные скоростные диоды на основе арсенида галлия с контактным барьером Шоттки с максимальной температурой перехода металл-полупроводник 175°С, максимальной рабочей температурой корпуса до 150°С.
Но ряд технологических проблем по созданию исходных эпитаксиальных высокоомных арсенид-галлиевых структур прямой газофазной эпитаксией накладывал значительные ограничения на рабочий диапазон токов и напряжений со значениями 50А, 300 В.
Наиболее близким прототипом предполагаемой полезной модели являются карбид-кремниевые диоды Шоттки и их конструктивно-технологические модификации - JBS диоды с исключительно высоким быстродействием при предельно высоких температурах.
rr
У таких аналогов-прототипов, как SSR40C30CT в металлокерамических корпусах TO-254, Cerpack фирмы SSDI (Solid State Devices, Inc.) (www.ssdi-power.com) предельные рабочие температуры близки к 250°С, значения времени восстановления до 20÷30 нсек при рабочих напряжениях до 300 В, параллельно включенные чипы CPW21200SO50 фирмы CREE (www.cree.com) могут достигать в перспективе значений 100А, 1200 В, τ≤50 нсек в более мощных металлокерамических корпусах при рабочих температурах 175°С.
Но у данных карбид-кремниевых диодов Шоттки есть ряд недостатков:
- прямые падения напряжения при росте температуры от 25°С до 200°С возрастают в два раза, это означает либо увеличенные в два раза динамические потери, либо необходимо снижать предельные рабочие токи в два раза;
- при высоких рабочих температурах (до 300°С) потери при включении на данных приборах возрастают в 3÷5 раз, что приводит к резкому снижению динамического КПД;
+
- очень высокая плотность кристаллографических дефектов в процессе выращивания высокоомных эпитаксиальных структур n- n типа наиболее распространенной модификации применяемого карбид-кремниевого кристалла 4H-SiC политипа, являющегося основой получения кристаллов SiC диодов Шоттки;
+
- исключительно серьезной проблемой является высокая плотность кристаллографических дефектов в процессе выращивания высокоомных эпитаксиальных структур n- n типа наиболее распространенной модификации применяемого карбид-кремниевого кристалла 4H-SiC политипа, являющегося основой получения кристаллов SiC диодов Шоттки;
- в процессе эксплуатации возникает деградация параметров барьерного перехода Шоттки металл-полупроводник, что значительно снижает надежность карбид-кремниевых диодов Шоттки;
- высокая стоимость получения кристаллов SiC диодов Шоттки или JBS.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является резкое улучшение эксплуатационных, динамических характеристик высоковольтных сверхскоростных мощных диодов, повышение их температуростойкости, надежности.
Данная техническая задача в предполагаемой полезной модели достигается тем, что в конструкции высоковольтных высокоэнергетичных сверхбыстродействующих диодов в металлостеклянных, металлокерамических корпусах типа ТО-253, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, РРАК, CerPack КТ-97А, КТ-97В-1 и их пятивыводных и семивыводных модификациях, в т.ч. с изолирированным теплоотводящей керамикой фланцем и др. вместо монтируемых в данные корпуса карбид-кремниевых кристаллов диодов Шоттки или JBS модификаций применяются высоковольтные высокочастотные кристаллы p-i-n диодов GaAs.
3
4
2
3
Меняя топологию теплоотводящей изолирующей керамики, выполненной на основе BeO, AlN, BN, SiN, AlO, SiC, SiC-алмаз, AlN-алмаз, SiC-Al и др., можно осуществлять монтаж-пайку множества p-i-n диодных GaAs структур с различными схемотехническими вариациями от одиночных диодов до их последовательно-параллельных сборок, полумостовых, мостовых однофазных или мостовых трехфазных схем, а также мощных металлокерамических сильноточных сборок. На примере корпусов КТ-97А с медными выводами могут серийно выпускаться арсенид-галлиевые диоды с рабочей температурой 300°С.
2
3
3
4
На фиг.1 показан пример общего вида арсенид-галлиевых p-i-n диодов в металлокерамических (металлостеклянных) корпусах по типу: ТО-254; ТО-253; ТО-257; ТО-259; РРАК, CerPack; КТ-97A, -4B-1, KT97-B-4 и их модификациях, в т.ч. с изолирующей теплоотводящей керамикой на основе BeO, AlN, BN, AlO, SiC, SiN, SiC-алмаз, AlN-алмаз и др.
Ультрабыстрый арсенид-галлиевый p-i-n диод содержит металлический кристаллодержатель 1, изолирующий теплоотводящий керамический кристаллодержатель 2, металлический кожух-корпус 3, стеклянные или керамические изоляторы 4, выводы 5 корпуса, кристалл аресинд-галлиевого p-i-n диода 6, электрические межсоединения кристалл-корпус 7, металлическую крышку 8.
+
-
+
Металлические детали корпуса 1, 3, 5, 8 изготавливаются методом штамповки, выводы 5 корпуса выполняются методом штамповки или обрезки проволоки. Корпус собирается методом пайки в водородной восстановительной среде. Кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается на р-типа высоколегированных подложках. Методом жидкостной эпитаксии последовательно выращивается высокоомный n-слой и низкоомный (омический) n-слой. Кристалл напаивается на кристаллодержатель корпуса высокотемпературным бессвинцовым припоем. Межсоединения выполняются ультразвуковой сваркой или другими методами. Герметизация корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой.