СИЛОВОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

Предлагаемая полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована при конструировании высоковольтных диодов с повышенной стойкостью к коммутационным перегрузкам.
Известна конструкция силового диода, выполненная в виде p-n-n+структуры с профилированной боковой поверхностью в форме прямой фаски [1]. На контактную поверхность со стороны n+слоя, называемой катодом и со стороны p-слоя, называемой анодом, нанесен слой никеля.
R
R
Данная конструкция позволяет изготавливать высоковольтные диоды с рабочим напряжением несколько тысяч вольт и на токи несколько тысяч ампер, выдерживая скорости коммутации тока в процессе обратного восстановления dI/dt до 100 А/мкс. При больших значениях dI/dt наступает повреждение диода в периферийной области в виде сквозного проплавления структуры.
Однако для современных быстродействующих мощных полупроводниковых приборов, в частности, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или запираемые тиристоры (GTO) необходимы демпфирующие диоды, с высокими рабочими напряжениями и способные выдерживать скорости коммутации тока порядка 2000 А/мкс и более без ухудшения блокирующих характеристик.
Целью полезной модели является увеличение предельных коммутационных возможностей силовых полупроводниковых импульсных диодов и повышение надежности при повышенных скоростях коммутации в процессе обратного восстановления.
Указанная цель достигается за счет того, что силовой импульсный полупроводниковый диод выполнен в виде p-n-n+структуры, на катодную и анодную контактные поверхности которой нанесена металлизация в виде слоя алюминия. Боковая поверхность структуры спрофилирована в виде прямой фаски. Кроме того, в периферийной области структуры со стороны катода сформирован p+-слой в виде кольца шириной равной величине разницы радиусов катодной и анодной металлизации и глубиной не превышающей глубину n+-слоя.
На фиг. изображена в разрезе структура силового импульсного полупроводникового диода, где:
1. - n-слой, являющийся базовой областью;
2. - р-слой, определяющий глубину залегания высоковольтного p-n перехода;
3. - n+-высоколегированный донорный слой;
4. - р+-высоколегированный акцепторный слой;
5. - прямая фаска;
6. - слой катодной металлизации;
7. - слой анодной металлизации.
Конкретное исполнение, рассмотрим на примере конструкции, высоковольтного диода на ток 800 А и напряжение 3300 В, предназначенного для применения в качестве комплектного диода для IGBT-модулей на напряжение 3300 В.
В исходной полупроводниковой пластине монокристаллического кремния диаметром 76 мм n-типа проводимости 1 с удельным сопротивлением 150 Ом. см методом диффузии акцепторной примеси с одной стороны пластины формируется р-слой 2, а с другой стороны диффузией донорной примеси формируется n+-слой 3, создавая таким образом p-n-n+структуру. Затем с помощью диффузии акцепторной примеси со стороны n+слоя в периферийной области создается
кольцеобразная высоколегированная р+-область 4 глубиной, не выходящей за глубину n+ слоя.
Ширина р+-области выбирается с учетом будущих размеров ширины прямой фаски. После формирования кольцеобразной р+-области аэропескоструйным методом создается прямая фаска 5 под углом 10° и напыляется слой алюминия, толщиной порядка 12 мкм на катодную 6 и анодную 7 стороны структуры. Разница радиусов катодной и анодной металлизации равна ширине р+-области. Затем фаска химически травится и защищается кремнийорганическим компаундом (не показанным на фиг.).
Электрические испытания диодов с такой структурой подтвердили, что рабочие напряжения составляют 3300 В, а приборы выдерживают скорости спада тока при обратном восстановлении 2000 А/мкс без ухудшения рабочих напряжений.
Источники информации
[1] Ю.А.Евсеев, П.Т.Дерменжи. Силовые полупроводниковые приборы. М. Энергоиздат.1981, стр.80, 81