Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в металлокерамических планарных малоиндуктивных беспроволочных корпусах

Ультрабыстрый, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в металлокерамических планарных малоиндуктивных беспроволочных корпусах для высокочастотных преобразовательных радиоэлектронных устройств различного назначения. Основной технической задачей предложенной полезной модели является резкое повышение частотных, динамических свойств сверхбыстродействующих мощных высоковольтных диодов с использованием практически безиндуктивных металлокерамических корпусов. Данная задача достигается тем, что в конструкции сверхбыстродействующих высоковольтных диодов в корпусах по типу Thin Key вместо карбид-кремниевых кристаллов диодов Шоттки или JBS диодов используются меза-планарные эпитаксиальные кристаллы арсенид-галлиевых p-i-n диодов. Конструкция p-i-n арсенид-галлиевого диода в корпусе по типу Thin Key (фиг.1) содержит металлический кристаллодержатель 1 с технологическими разгрузочными канавками из молибдена, вольфрама и др.; крепленый на нем методом пайки или другими способами; p-i-n арсенид-галлиевый диодный кристалл 2; молибденовую или вольфрамовую прокладку 3; верхнюю корпусную крышку 4 из молибдена, вольфрама или их сплавов с медью; керамический изолятор 5 с рельефной металлизацией; уплотнительные коваровые или из другого металла, металлосплава кольца-накладки 6; металлический для поверхностного монтажа вывод 7; кремнийорганический компаунд или другой защитный материал 8. Металлические детали корпуса 1, 3, 4, 6, 7 изготавливаются методом штамповки, фрезерования, в т.ч. лазерного, из листовых материалов или методами последовательного прессования и спекания из порошковых металлических материалов. Кристалл p-i-n арсенид-галлиевого диода изготавливается методом жидкостной эпитаксии. Из расплава арсенида галлия на монокристаллических высоколегированных подложках р⁺ типа анодной части выращивается высокоомная p-i-n n^--область, катодной части кристалла, затем на n^--области выращивается высоколегированная n⁺-катодная область для создания омических контактов с последующим формированием меза-областей p⁺-n перехода, омических металлических контактов. Герметизация корпуса готового собранного прибора и вывода для поверхностного монтажа осуществляется методом пайки деталей 1, 4, 5, 6, 7.

Полезная модель представляет собой ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в металлокерамических планарных малоиндуктивных беспроволочных корпусах на частоте преобразования-коммутации до 1-5 Мгц с токами до 150 А и напряжением до 1200 В для ВЧ и СВЧ преобразовательных радиоэлектронных устройств и может быть использована в производстве электронных приборов в радиоэлектронной промышленности.

Конструктивное исполнение мощных сверхбыстродействующих высоковольтных диодов предполагает монтаж кремниевых, карбид кремниевых и арсенид галлиевых диодных кристаллов в металлокерамических или пластмассовых корпусах типа ТО, ДО, SMD, SOT и др. Такое конструктивное исполнение предполагает наличие проволочных или ленточных межсоединений внутри корпуса. Наличие такого рода межсоединений - это дополнительное конструктивная и наведенная, при протекании больших токов, индуктивность. Наличие встроенной индуктивности приводит к затягиванию фронтов импульсных сигналов включение/выключение и, следовательно, ограничение предельных переключающих частот коммутации диодных ключей. Вторым фактором, влияющим на надежность высоковольтных быстродействующих диодов, является повышенная температура эксплуатации, зачастую достигающая 150-200°С и выше. Температура эксплуатации корпуса кремниевых сверхскоростных высоковольтных диодов ограничена значением +125°С, а предельные частоты коммутации с приемлемым КПД даже диодов с барьером Шоттки при высоких температурах эксплуатации (выше 100°С) ограничиваются потолком в 0,5-0,8 МГц.

Используемые за рубежом арсенид - галлиевые диоды Шоттки, несмотря на высокое быстродействие, имеют конструктивно-технологические ограничения по предельным эксплуатационным характеристикам:

- предельная температура 175-200°С,

- рабочие токи на чипе 30-50А, при предельных рабочих напряжениях до 300 В.

Ближайшим конструктивным прототипом в плоских беспроволочных малоиндуктивных корпусах являются карбид - кремниевые диоды Шоттки, выполненные в корпусах типа Thin Key по западной классификации, аналогичные конструктивным исполнениям таких приборов, как MSASC25W100K, MSASC25W100KR, MSASC75W45F, MSASC75W45FR, MSASRS200S10L, MSARS200S10LR и др. (www.microsemi.com), имеющим рабочие температуры до +175÷200°С, исключительно низкую индуктивность выводов, высокие частоты коммутации (свыше 1 МГц), достаточно высокие рабочие напряжения.

К недостаткам такой конструкции сверхбыстродействующих диодов следует отнести:

1. Значительное ухудшение частотных свойств при предельных температурах эксплуатации близких к 200°С, вследствие резкого роста прямого падения напряжения на переходе металл-полупроводник, т.е. барьерного перехода Шоттки.

2. Деградация электрофизических параметров барьерного перехода Шоттки в процессе эксплуатации.

3. Ограниченность значений максимального тока на кристалл из-за технологичесих проблем и высокой трудоемкости изготовления исходных эпитаксиальных структур политипа n^--4H-SiC.

Основной технической задачей данной предполагаемой полезной модели является резкое улучшение динамических свойств сверхскоростных мощных диодов в плоских практически безиндуктивных корпусах типа Thin Key при предельных режимах эксплуатации, расширение мощностных и энергетических характеристик.

Данная техническая задача предполагаемой полезной модели достигается тем, что в конструкции высокоскоростных высоковольтных диодов в корпусах типа Thin Key вместо карбид-кремниевых диодных кристаллов с барьером Шоттки используются арсенид-галлиевые p-i-n диодные кристаллические структуры. Гибкость технологии выращивания p-i-n диодных кристаллов арсенида галлия позволяет варьировать зависимость прямой вольт-амперной характеристики от температуры как с отрицательным, так и положительным коэффициентом зависимости прямого падения напряжения от температуры. При использовании высоковольтных p-i-n арсенид-галлиевых кристаллов с положительным температурным коэффициентом вольт-амперных характеристик их можно использовать при создании сверхмощных высокоскоростных модулей в конструкции корпусов по типу Thin Key с достижением следующего сочетания параметров, не имеющих аналогов:

- рабочие прямые постоянные токи до 1000 А,

- импульсные токи до 4000 А,

- обратные блокирующие рабочие напряжения до 1200 В,

- рабочей температурой до 200-250°С,

- частотой коммутации до 1,0 МГц.

На фиг.1 показан общий вид конструкции арсенид-галлиевого p-i-n диода в корпусах типа Thin Key.

Конструкция p-i-n арсенид-галлиевого диода в корпусе по типу Thin Key содержит металлический кристаллодержатель 1 с технологическими разгрузочными канавками из молибдена, вольфрама и др.; крепленый на нем методом пайки или другими способами; p-i-n арсенид-галлиевый диодный кристалл 2; молибденовую или вольфрамовую прокладку 3; верхнюю корпусную крышку 4 из молибдена, вольфрама или их сплавов с медью; керамический изолятор 5, с рельефной металлизацией; уплотнительные коваровые или из другого металла, металлосплава кольца-накладки 6; металлический для поверхностного монтажа вывод 7; кремнийорганический компаунд или другой защитный материал 8.

Металлические детали корпуса 1, 3, 4, 6, 7 изготавливаются методом штамповки, фрезерования, в т.ч. лазерного, из листовых материалов или методами последовательного прессования и спекания из порошковых металлических материалов.

Кристалл p-i-n арсенид-галлиевого диода изготавливается методом жидкостной эпитаксии. Из расплава арсенида галлия на монокристаллических высоколегированных подложках р⁺ типа анодной части выращивается высокоомная p-i-n n^- - область, катодной части кристалла, затем на n ^--области выращивается высоколегированная n⁺ -катодная область для создания омических контактов с последующим формированием меза-областей p⁺ - n перехода, омических металлических контактов.

Герметизация корпуса готового собранного прибора и вывода для поверхностного монтажа осуществляется методом пайки деталей 1, 4, 5, 6, 7.

1. Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в планарных малоиндуктивных беспроволочных металлокерамических корпусах по типу Thin Key, содержащий металлический кристаллодержатель, напаянный на него кристалл ультрабыстрого диода, напаянную на кристалл вольфрамовую или молибденовую прокладку, верхнюю корпусную крышку из молибдена или вольфрама, керамический с рельефной металлизацией изолятор, уплотнительные коваровые кольца-накладки, металлический для поверхностного монтажа вывод, кремнийорганический или другой защитный материал, отличающийся тем, что вместо карбид-кремниевых кристаллов диодов с барьером Шоттки используются меза-планарные эпитаксиальные кристаллы p-i-n арсенид-галлиевых диодов.

2. Ультрабыстрый, высокоэнергетичный, мощный, высоковольтный, высокотемпературный диод в планарных малоиндуктивных беспроволочных металлокерамических корпусах по п.1, кристаллодержатель и крышка корпуса которого имеют разгрузочные канавки, а крышка корпуса выполнена из сплавов медь-вольфрам или медь-молибден.