Силовой высоковольтный диод
Область применения: силовая полупроводниковая техника с высокочастотным преобразованием электрической энергии.
Техническим результатом полезной модели является повышение стойкости высоковольтного диода к коммутационным перегрузкам при высоких скоростях спада тока в процессе его выключения.
Сущность полезной модели: силовой полупроводниковый высоковольтный диод представляющий собой р-n-n+ структуру с профилированной боковой поверхностью в виде прямой и обратной фасок, пересекающихся на границе n- и n+ слоев, выходящей на боковую поверхность.
Предлагаемая полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использована при конструировании высоковольтных диодов с повышенной стойкостью к коммутационным перегрузкам.
Известно техническое решение [1], когда боковую поверхность диодной р-n-n+ структуры скашивают под определенным углом к плоскости р-n перехода. Боковую поверхность структуры такой конфигурации называют фаской. Причем, для прямой фаски сечение структуры уменьшается в направлении от n+-слоя к р-слою, а для обратной, наоборот, от р-слоя к n+-слою.
Наиболее близким техническим решением, является решение [2], согласно которому, силовой высоковольтный диод имеет полупроводниковую p-n-n+ структуру, боковая поверхность которой, выполнена в виде 2-х фасок под разными углами, но имеющих одно и тоже направление и пересекающихся либо на границе р-n перехода, либо в области n-слоя.
Данное решение позволяет изготавливать высоковольтные диоды с рабочим напряжением 5-6 кВ и на токи несколько тысяч ампер, обеспечивающие скорость коммутации тока dJ R/dt до 500А/мксек. При больших значениях dJ R/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, IGCT), необходимы диоды, имеющие высокие рабочие напряжения и способные
обеспечивать скорости коммутации тока порядка 2000А/мксек без ухудшения блокирующих характеристик.
Целью полезной модели - увеличение стойкости высоковольтного диода к коммутационным перегрузкам при высоких скоростях спада тока в процессе его выключения.
Указанная цель достигается за счет того, что в силовом высоковольтном диоде с p-n-n+ структурой профилируют боковую поверхность в виде 2-х фасок, одна из которых по отношению к р-n переходу является прямой, а другая обратной. Причем углы наклона фасок задают таким образом, чтобы граница пересечения фасок оказалась в области границы пересечения n- и n+-слоев, выходящей на боковую поверхность структуры. При выборе углов наклона фасок, определяющей является обратная фаска, угол наклона которой должен обеспечивать максимальное напряжение пробоя.
На фиг.1 изображен в разрезе вариант полупроводниковой структуры предлагаемого высоковольтного диода, где:
1. - n-слой, является базовой областью;
2 - р-слой, определяет глубину залегания р-n перехода;
3 - высоколегированный n+-слой;
4. - обратная фаска;
5. - прямая фаска.
Пример конкретного исполнения, рассмотрим на конструкции высоковольтного диода на ток 800А с рабочим напряжением 3300В, предназначенного в качестве комплектного диода для IGBT - модуля таблеточной конструкции на напряжение 3300В.
В партии, состоящей из полупроводниковых пластин n типа проводимости 1 фиг.2, диаметром 76 мм, методом диффузии акцепторной примеси с одной стороны формировали р-слой 2, а с другой стороны диффузией
донорной примеси формировали n+-слой 3, создавая таким образом p-n-n+ структуру. Полупроводниковые структуры сплавляли с термокомпенсаторами из молибдена 4 со стороны n+-слоя с последующим напылением на поверхность р-типа слоя алюминия 5. Затем аэропескоструйным методом формировали двухступенчатую фаску 6 и 7 по прототипу, травили ее в кислотном травителе и покрывали кремний органическим компаундом 8.
Затем проводили электрические испытания. Диоды имели блокирующие напряжения 3300 В в соответствии с расчетными значениями. При испытаниях на dJ R/dt стойкость было установлено, что при величинах равных 500А/мксек наблюдался массовый выход приборов из строя, из-за сквозного прогара структуры в периферийной области. Площадь прогара составляла 1-3 мм2.
Затем на всей партии приборов, в том числе и на вышедших из строя, удаляли защитное покрытие 8 и с помощью аэропескоструйного способа формировали согласно предлагаемого решения, две фаски, обратную 9 и прямую 10, под углами 45° и 25° соответственно, что обеспечивало пересечение фасок на границе пересечения n- и n+-слоев. После этого фаски снова травили в кислотном травителе и защищали кремний органическим компаундом 11.
Затем снова проводили электрические испытания. Все приборы имели тоже рабочее напряжение 3300 В, а стойкость к dJR/dt составляли 2000А/мксек, т.е. возросла в 4 раза. Дальнейшие повышения скорости спада тока при выключении диодов показало, что выход приборов происходит из-за прогара структуры в центральной области, т.е. определяется объемными свойствами диодной структуры.
Источники информации.
[1] Ю.А.Евсеев, П.Т.Дерменжи. Силовые полупроводниковые приборы.
М., Энергоиздат, 1981, стр.77, 78.
[2] Тоже, стр.80
Силовой высоковольтный диод, представляющий собой р-n-n+ структуру с профилированной боковой поверхностью, отличающийся тем, что профиль боковой поверхности выполнен в виде прямой и обратной фасок, пересекающихся на границе n-n+ слоев, выходящей на боковую поверхность.
