Характеристики - Характеристики зворотного відновлення
В. Н. Губарєв, О. М. Сурма ДУП “Всеукраїнський електротехнічний інститут ім. В. І. Леніна”, Москва, Україна
А. В. Килимів ГО «Естел Електроніка», Таллінн, Естонія
А. Ю. Семенов ЗАТ "Протон-Електротекс", м. Орел, Україна
Дослідження характеристик зворотного відновлення потужних швидкодіючих тиристорів, опромінених електронами та протонами
Прикладна фізика, 2001 № 4, с. 85-92
Проведено експериментальне дослідження впливу опромінення прискореними електронами та протонами на комплекс динамічних характеристик силових тиристорів. Показано, що протонне опромінення порівняно з електронним покращує характеристики зворотного відновлення тиристора – зменшує заряд зворотного відновлення та знижує амплітуду імпульсного викиду зворотної напруги. Такі пристрої можуть надійно працювати в інверторі струму перетворювача частоти за жорстких умов комутації (di/dt = 100-300 А/мкс на частоті 2-8 кГц).
Характерною особливістю конструкції кремнієвої структури сучасного швидкодіючого силового тиристора є наявність високоефективного шунтування катодного емітера. Для зазначених приладів типова "густа" розподілена шунтування області катодного n+ емітера з кроком елементів 300-400 мкм у сукупності з крайовим шунтуванням кордону катодного емітера і p-області управління [1]. Такий підхід до конструювання кремнієвої структури тиристора дозволяє отримувати відносно малий час вимикання тиристора t q за відносно великого часу життя носіїв заряду ( t ) у високоомному n-базовому шарі (t q / t = 2-3). Отже, при розумно малому падінні напруги у включеному стані (UTM) такий тиристор може мати високунапруга у закритому стані (UDRM).
Описана концепція конструкції дозволяє сьогодні отримувати для тиристорів 14-го – 15-го класів значення t q £ 10 мкс, 24-го класу – t q £ 25 мкс, 32-го класу – t q £ 63 мкс.
Недоліком тиристорів описаної вище конструкції є підвищене значення часу (t rr) та заряду (Q rr) зворотного відновлення.
Таким чином, ці прилади оптимальні тільки для застосування в режимах, що не передбачають застосування зворотної напруги. Для тиристорів, що функціонують в режимах з додатком зворотної напруги, наприклад у складі інвертора струму, одно актуальним стає зменшення як t q , так і Q rr .
Важлива характеристика таких приладів — так званий коефіцієнт форми струму зворотного відновлення — K rr [2]. Його значення визначається як
де (di/dt) s - Швидкість зміни анодного струму на фазі наростання імпульсного струму зворотного відновлення;
(di/dt) f - Швидкість зміни струму на фазі спаду імпульсного струму зворотного відновлення.
Значення K rr визначає амплітуду імпульсу напруги при зворотному відновленні приладу і, як показують експерименти [2, 3], слабко залежить від режиму зворотного відновлення приладу, але визначається параметрами конструкції.
Для оптимізації комплексу зазначених параметрів тиристора [4] було запропоновано введення в кремнієву структуру нерівномірного по товщині n-базового шару розподілу t . При цьому поблизу середнього (колекторного) pn-переходу тиристорної структури значення t вище ніж поблизу анодного pn-переходу. Нерівномірне аксіальне (за товщиною структури) розподіл t створювалося за допомогою технології легування золотом.
У цій роботі досліджено можливості оптимізації комплексупараметрів U TM , t q , Q rr , K rr більш прогресивних радіаційних технологій: електронного та протонного опромінення.
Порівняння різних технологій регулювання швидкодії
Технологія заснована на дифузії у кремнієву структуру атомів золота, що є рекомбінаційними центрами (РЦ). Створення нерівномірних просторових розподілів концентрації атомів золота у структурі виробляється з допомогою використання геттерирующих властивостей емітерних верств, легованих фосфором і бором. У роботах [5, 6] показано, що геттерування золота дифузійним n+-шаром, легованим фосфором, дозволяє створити в n-базовому шарі структури силового тиристора нерівномірний аксіальний розподіл t з підвищеним значенням t поблизу колекторного pn-переходу і зниженим.
Недоліками технології легування золотом є недостатня відтворюваність результатів технологічного процесу, збільшений відсоток шлюбу за поєднанням UTM та динамічних параметрів при виробництві, а також схильність атомів золота до утворення кластерів при термообробках, що призводить до збільшеного відсотка шлюбу за напругою, що блокує. Крім того, генераційно-рекомбінаційні властивості атомів золота такі, що призводять до появи підвищених струмів витоку у зворотно зміщених pn-переходах приладу, що обмежує максимальну робочу температуру структури до 110-125 ° С [7].
Внаслідок зазначених недоліків технологія легування золотом під час виробництва силових напівпровідникових сьогодні значною мірою витіснена радіаційними технологіями управління швидкодії.
Електронне опромінення - найбільш поширений на сьогоднішній день різновид радіаційної технології управління швидкодією. Рекомбінаційними центрами,відповідальними за зниження t є радіаційні дефекти - комплекси, які можуть містити власні дефекти решітки кремнію (дефекти Френкеля), а також атоми легуючих та інших домішок. Опромінення кремнієвої структури електронами з енергією понад 1 МеВ дає добре відтворювані результати, оскільки концентрації одержуваних при такій обробці РЦ залежать в основному тільки від дози опромінення та вихідного (перед опроміненням) домішково-дефектного складу у структурі, що має досить стабільний характер. Однак унаслідок слабкої зміни швидкості утворення радіаційних дефектів при прольоті високоенергетичних електронів через кремнієву структуру використання цієї технології не дозволяє отримати нерівномірні аксіальні розподіли t в n-базовому шарі [1].
Спектр точкових радіаційних рекомбінаційних дефектів, що виникає внаслідок впливу прискорених протонів, близький за своїм якісним складом до одержуваного при електронному опроміненні (за винятком кількох додаткових дефектів, пов'язаних з імплантованим воднем) [8]. Однак швидкість утворення радіаційних дефектів має немонотонний характер і має характерний максимум поблизу закінчення пробігу протонів. Відповідно і аксіальний розподіл t після протонного опромінення може мати нерівномірний характер. Мал. 1 ілюструє типові зміни t, що вносяться при протонному опроміненні кремнієвої структури [9].
Таким чином, якщо підібрати режим опромінення так, щоб пробіг протонів закінчувався поблизу анодного pn-переходу тиристорної структури, можна отримати нерівномірний аксіальний розподіл t в n-базовому шарі, при цьому значення t поблизу анодного pn-переходу будуть менше, ніж поблизу колекторного.
Мал. 1. Типова залежність величиниF рік = 1/ t – 1/ t 0 ( t 0 – t перед опроміненням) від глибини пробігу протонів у кремнії.
Енергія протонів - 20,8 МеВ
Можливості різних технологій регулювання швидкодії частини створення необхідного нерівномірного аксіального розподілу t у структурі типового швидкодіючого тиристора показані на рис. 2. З малюнка видно, що технології легування золотом та протонного опромінення дозволяють отримати відношення t поблизу колекторного та поблизу анодного pn-переходів t кол / t анод = 2-3, тоді як для технології електронного опромінення ця величина дорівнює 1.
Мал. 2. Аксіальні розподілу часу життя носіїв заряду у структурі тиристора за різних технологій регулювання швидкодії:
1 - електронне опромінення; 2 - протонне опромінення; 3 - дифузія золота
Як експериментальні зразки використовувалися структури серійних швидкодіючих тиристорів ТБ143-400-20 виробництва ЗАТ “Протон-Електротекс” (м. Орел).
Структури сформовані на вихідних пластинах КОФ80 (кремній нейтронно-легований, питомий опір 80 Ом × см) завтовшки 500 мкм, діаметр структури 40 мм. Анодний та колекторний pn-переходи сформовані двосторонньою комбінованою дифузією алюмінію та бору. Глибина цих pn-переходів - 90 мкм від анодної чи катодної поверхні пластини, відповідно. Катодний емітерний n+-шар сформований двостадійною дифузією фосфору на глибину 20 мкм.
Розподіл легуючих домішок у структурі приблизно відповідає наведеному на рис. 2. Топологія структури наведено на рис. 3. Катодна розподілена шунтування має трикутну симетрію розташування шунтуючих елементів, діаметр окремого елемента - 130 мкм, крок - 400 мкм.
Партія експериментальнихтиристорних елементів було поділено на дві частини; регулювання швидкодії однією з них здійснювалося з допомогою технології електронного опромінення, з іншого — протонного.
Мал. 3. Топологія структури швидкодіючого тиристора ТБ143-400
Електронне опромінення здійснювалося за стандартною технологією прискореними моноенергетичними електронами з енергією 6 МеВ; протонне опромінення - пучком моноенергетичних прискорених протонів з енергією 20,8 МеВ. Опромінення проводилося з боку катодної поверхні тиристорної структури. Глибина пробігу протонів регулювалася за допомогою кремнієвих екранів, що розміщуються перед катодною поверхнею структур, що опромінюються. Товщина екранів обрана таким чином, щоб пробіг протонів закінчувався в тиристорній структурі поблизу анодного pn-переходу. Дози електронного та протонного опромінення вибиралися таким чином, щоб отримати однакові часи вимкнення (близько 30 мкс).
Дослідження параметрів та характеристик тиристорів з різною технологією регулювання швидкодії
На тиристорних елементах були виміряні прямі та зворотні блокуючі напруги, падіння напруги у включеному стані, а також час вимкнення та характеристик зворотного відновлення.
Основні параметри приладів після електронного та протонного опромінення наведені у таблиці.