Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в плоских металлокерамических корпусах

Ультрабыстрый высокоэнергетичный мощный высоковольтный высокотемпературный диод в плоских металлокерамических корпусах для высокочастотных преобразователей различного назначения для радиоэлектронных., электротехнических устройств. Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является резкое улучшение эксплуатационных и динамисеких характеристик сверхбыстродействующих диодов при повышенных рабочих температурах эксплуатации. Данная техническая задача достигается тем, что в металлокерамических плоских корпусах по типу КТ-28А-2.01; КТ-43А-1.01; КТ-28А-3, -3.01; КТ-105-1, -1.01, их пяти-, семивыводных модификациях, в т.ч. с применением изолирующего кристаллодержателя вместо карбид-кремниевых диодов Шоттки или JBS модификаций применяются планарно-эпитаксиальные меза-структурные кристаллы p-i-n диода на основе арсенида галлия. Корпус диода содержит металлический кристаллодержатель 1, или изолированный теплоотводящий металлокерамический кристаллодержатель 2, керамический каркас 3 с металлизацией по контуру и выводных отверстиях, планарные электрические вывода - вставки корпуса 4, выводы корпуса 5, кристалл 6 арсенид-галлиевого p-i-n диода с защитой, электрические соединительные выводы кристалл-вывод корпуса корпуса 7, герметизирующую металлическую крышку 8. Кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается на p⁺ -типа высоколегированных подложках. Методом жидкостной эпитаксии последовательно выращивается высокоомный n^--слой и низкоомный (омический) n⁺-слой. Кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода напаивается на кристаллодержатель высокотемпературными бессвинцовыми припоями, например, золото-германий, золото-кремний. Разварка или пайка производится ленточными или проволочными выводами из меди, алюминия и др. металлов. Напаянный и с разваренными выводами кристалл защищается полимерным материалом. Герметизация корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой и др. методами.

Полезная модель представляет собой мощный ультрабыстрый высоковольтный высокотемпературный диод в плоских металлокерамических 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 плоских металлокерамических корпусах типа КТ-28А-2.01; КТ-43А-1.01; КТ-28А-3, -3.01; КТ-105-1, -1.01; их модификациях, а также пятивыводных или семивыводных металлокерамических аналогах 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.

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_F, 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 50 А, 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.

У таких аналогов, как SSR40C30CT в металлокерамических корпусах ТО-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, в перспективе параллельно включенные чипы CPW2-1200SO50 фирмы CREE (www.cree.com) в более мощных металлокерамических корпусах могут достигнуть значений 100 А, 1200 В, _rr50 нсек 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 необходимость 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;

- в процессе эксплуатации возникает деградация параметров барьерного перехода Шоттки металл-полупроводник, что значительно снижает надежность карбид-кремниевых диодов Шоттки;

- высокая стоимость получения кристаллов карбид-кремниевых 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 плоских металлокерамических корпусах типа КТ-28А-2.01; КТ-43А-1.01; КТ-28А-3, -3.01; КТ-105-1, -1.01; и их модификациях, пятивыводных или семивыводных металлокерамических аналогах, в т.ч. с изолированным 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 на арсениде галлия.

Меняя топологию теплоотводящей изолирующей керамики, выполненной на основе BeO, AlN, BN, Si₃N₄ , Al₂O₃, SiC, SiC-алмаз, AlN-алмаз, SiC-Al и др., можно осуществлять монтаж-пайку множества p-i-n диодных арсенид-галлиевых 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-105-1 с биметаллическими выводами могут серийно выпускаться арсенид-галлиевые диоды с рабочей температурой 300°С.

На фиг.1, 2 показан пример общего вида арсенид-галлиевых p-i-n диодов в металлокерамических корпусах по типу КТ-28А-2.01; КТ-43А-1.01; КТ-28А-3, -3.01; КТ-105-1, -1.01; и их модификациях, в т.ч. с изолирующей теплоотводящей керамикой на основе BeO, AlN, BN, Al₂O₃, SiC, Si₃N ₄, SiC-алмаз, AlN-алмаз и др.

Ультрабыстрый арсенид-галлиевый p-i-n диод содержит металлический кристаллодержатель 1, или изолированный теплоотводящий металлокерамический кристаллодержатель 2; керамический каркас 3 с металлизацией по контуру и выводных отверстий; планарные металлические вставки электрических выводов корпуса 4; плоский вывод корпуса 5; кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода с защитой 6; электрические соединительные выводы 7 кристалл - вывод корпуса; герметизирующую металлическую крышку 8.

Металлические детали корпуса 1, 4, 5 изготавливаются методом штамповки, каркас-изолятор 3 - методом прессования и высокотемпературного литься из Al₂O₃ материала и др., с нанесенной высокотемпературной металлизацией, например, Mo-Mn-Ni по контуру и внутри отверстий под электрические выводы - вставки 4 корпуса, впаянные в керамический каркас.

Кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается на p ⁺-типа высоколегированных подложках. Методом жидкостной эпитаксии последовательно выращивается высокоомный n^- -слой и низкоомный (омический) n⁺-слой.

Кристалл арсенид-галлиевого p-i-n диода напаивается на кристаллодержатель высокотемпературными бессвинцовыми припоями, например, золото-германий, золото-кремний. Разварка или пайка производится ленточными или проволочными выводами из меди, алюминия и др. металлов. Напаянный и с разваренными выводами кристалл защищается полимерным материалом. Герметизация корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой и др. методами.

1. Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в плоских металлокерамических корпусах по типу КТ-43А-1.01; КТ-28А-2.01; КТ-28А-3, -3.01; КТ-105-1, -1.01 и их пятивыводных модификаций, содержащий металлический кристаллодержатель, или изолированный комбинированный металлокерамический кристаллодержатель, керамический каркас с металлизацией по сварному контуру и выводным отверстиям, электрические выводы корпуса, кристалл ультрабыстрого диода с защитным покрытием, электрические соединения кристалл - выводы корпуса, металлическую крышку, отличающийся тем, что в место кристалла карбид-кремниевых диодов с барьером Шоттки используется планарно-эпитаксиальный меза-структурный кристалл p-i-n диода на основе арсенида галлия.

2. Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод по п.1, отличающийся тем, что на монтажной поверхности теплоотводящей изолирующей керамики комбинированного кристаллодержателя из металла и керамики выполнено множество металлизированных автономных участков для различного схемотехнического монтажа или пайки арсенид-галлиевых p-i-n диодных кристаллических структур.