Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с антипараллельным быстродействующим температуростойким диодом
Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельно включенным коллектор-эмиттер быстродействующим высоковольтным диодом, который может быть использован в мощных преобразовательных устройствах в электронной и электротехнической отраслях промышленности.
Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности IGBT приборов, улучшение их динамики переключения, повышение температурной стойкости, повышение устойчивости при режимах жесткого резонансного переключения, снижение суммарных энергетических потерь при переключении.
Данная техническая задача достигается тем, что вместо карбид-кремниевых диодов с барьером Шоттки используется ультрабыстрый высокотемпературный арсенид-галлиевый p-i-n диод.
Конструкция мощного высоковольтного IGBT транзистора состоит из кристалла 1 IGBT транзистора, внешнего антипараллельновключенного коллектор-эмиттер кристалла 2 быстровосстанавливающегося арсенид-галлиевого p-i-n диода; керамического кристаллодержателя 3, металлического фланца корпуса 4 электрических выводов эмиттера 5, изолированного затвора 6; коллектора 7; электрических межсоединений 8.
Металлические детали кристаллодержателя и микросборки 4, 5, 6, 7 изготавливаются методом штамповки, изолирующая теплопроводная керамика 3 изготавливается из шихты материалов с химическим составом Beo, AlN, Al2O3 и др. методом горячего прессования, литья с последующим нанесением, вжиганием, химосаждением металлизации.
Кристалл 1 IGBT прибора изготавливается по описанному выше технологическому маршруту с применением фотолитографии, ионной имплантации, термообработок, радиационных обработок, нанесением омических металлических контактов к областям эмиттера, коллектора и затвора.
Кристалл 2 арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается методом последовательной жидкостной эпитаксии катодных высокоомной и низкоомной областей n-типа на анодных монокристаллических высоколегированных р+ - типа подложках арсенида галлия, с созданием металлических контактов к анодной и катодной областями меза-области в периферийной анодно-катодной зоне с последующей защитой выходящего на поверхность р-n перехода.
Сборка прибора в целом осуществляется методом пайки на кристаллодержатель и сварки выводов и межсоединений.
Полезная модель представляет собой мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельным быстродействующим высоковольтным диодом для применения в мощной преобразовательной технике в радиоэлектронной, электротехнической и др. отраслях промышленности.
Конструкция современных мощных биполярных высоковольтных транзисторов с изолированным затвором (далее IGBT) выполнена, как правило, в мощных металлостеклянных, металлокерамических корпусах как дискретного, так и модульного типа с использованием в качестве кристаллодержателей металлы на основе медных сплавов, а также комбинированные кристаллодержатели из медного сплава и керамики.
В связи с возрастанием коммутационной плотности выделяемой энергии на единицу площади в качестве изолирующей теплопроводящей керамики все чаще используются нитрид-алюминиевая, оксид-бериллиевая и др. керамики, превосходящие по теплопроводности оксид-алюминиевую керамику в несколько раз.
Современные IGBT кристаллы выполняются по так называемой NPT FS «Trench» («Тренч») технологии (NPT FS «Trench» IGBT), которая выполняется на монокристаллическом высокоомном бездефектном кремнии.
В качестве исходных кремниевых подложек используются высокоомные монокристаллические пластины с уровнем легирования донорной примеси от 1014 см-3 и ниже. Методом фотолитографии создаются локальные ячейки в маскирующих слоях оксида кремния на поверхности, чаще всего, гексагонального типа, имеющие линейные размеры несколько микрон. В эти локальные ячейки проводится последовательно локальная диффузия акцепторной примеси. Создаются неглубоко залегающие p+-области в центре ячейки и менее легированные р-области по периферии ячейки. Затем создаются локальные n+-области эмиттера, щелевым методом вытравливаются вертикальные канавки по периметру ячейки, на стенках которых создаются МОП-затворные области. Методом подзатворного окисления, осаждения системы высоколегированный поликремний - металл создаются на стенках вертикальных канавок затворные металл-окисел-полупроводник области. Между «Trench»-канавками ниже глубины залегания p+ предварительной имплантацией донорной примеси создаются локальные участки более легированного n - слоя. С обратной стороны подложки создается так называемая буферная n-зона на глубины от нескольких единиц микрон и так называемый «прозрачный» высоколегированный очень тонкий p+ - эмиттер - инжекционная область неосновных носителей заряда в высокоомную область коллектора IGBT структур. Для устранения затягивающих «хвостов» фронтов импульса выключения на IGBT структуре применяют радиационные методы для обработки высокоомного n- - слоя коллектора IGBT структуры потоками электронов, протонов, 
-частиц с энергией 3-7 МэВ и плотностью частиц от 10 10 см-2.
Включается IGBT структура при подаче на затвор положительного потенциала, чаще всего, от +10 В и выше, значительно превышающего пороговое напряжение при котором начинается инвертирование проводимости в подзатворной р-области с созданием инверсного n-типа канала. Прямое смещение на «прозрачном» p+ - эмиттере с коллекторной стороны кристалла спосбствует инжектированию неосновных носителей (положительно заряженных) в высокоомную коллекторную зону. Происходит модуляция проводимости высокоомного n- - слоя и резкое увеличение его проводимости. От инжекционных характеристик p + - прозрачного эмиттера, условий создания «Trench» - инверсного канала, толщины высокоомного n- - слоя, его уровня легирования в значительной степени зависит одна из важнейших характеристик IGBTтранзистора - остаточное прямое напряжение во включенном состоянии. Чаще всего оно не опускается ниже значений 2-2,5 В при номинальных прямых рабочих токов эмиттер-коллектор. Выключение IGBT структуры происходит либо при снятии затворного положительного напряжения, либо подачей ускорительного обратного напряжения (чаще всего -10, -15 В) на затвор. IGBT структура переходит из состояния открытого ключа в закрытое, происходит перезарядка входных, переходных, выходных емкостей, рассасывание заряда и его обнуление в высокоомной области коллектора. При достижении на коллекторе высоких значений напряжения, а при реактивной индуктивной нагрузке значительно превышающей напряжение питания IGBT прибора за счет эффекта Кирка происходит спонтанная инжекция электронов с эмиттерной n+ - области. Происходит лавинизация тока через IGBT структуру, и транзистор ведет себя как неуправляемый тиристор, со спонтанным включением (эффект тиристорного «защелкивания»). Переключающие управляемые свойства IGBT структур теряются. Кроме этого, при разрядке запасенной энергии на индуктивной нагрузке меняется полярность напряжения и включается паразитный р-n-р транзистор. В связи со спонтанным включением при высоких напряжениях IGBT структура разрушается. Для устранения данного эффекта применяется обратновключенный блокирующий антипараллельный быстровосстанавливающийся защитный диод (СБВД), который защищает структуру от бросков напряжений обратной и прямой полярности.
В качестве антипараллельных диодов чаще всего используют высоковольтные кремниевые диоды, но они имеют ряд недостатков. Относительно невысокое быстродействие, слабую устойчивость к скорости нарастания тока dI/dt, технологические сложности, связанные с радиационными методами обработки готовых структур, низкие рабочие температуры.
Для повышения КПД переключения бинарного ключа из IGBT-СБВД диода, снижения потерь при переключении в последнее время применяют карбид-кремниевые диоды Шоттки, но они при очень высоком быстродействии имеют и определенные недостатки, вследствие того что величина размеров кристаллов современных IGBT структур достигает 225-300 мм 2 на токи до 150 А и выше при напряжениях 1200 В, в то время как лучшие достижения на кристалл карбид-кремниевого диода достигают 75 А при значительных прямых напряжениях, с возрастанием при повышенной температуре в 1,5-2 раза. Кроме этого, до конца не изучена деградация барьерного контакта Шоттки карбид-креамниевых диодов.
Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности IGBT приборов, улучшение их динамики переключения, повышение температурной стойкости, повышение устойчивости при режимах жесткого резонансного переключения, снижение суммарных энергетических потерь при переключении.
Данная задача достигается тем, что вместо карбид-кремниевого диода Шоттки используется ультрабыстрый высокотемпературный арсенид-галлиевый p-i-n диод. Арсенид-галлиевые p-i-n диоды имеют высокую рабочую температуру р-n перехода, достигающую значений до 300°С, при рабочих температурах металлокерамического корпуса до 250°С, а металлопластмассового - до 200°С. Арсенид-галлиевый p-i-n диоды обладают исключительными динамическими свойствами, время обратного восстановления накопленного заряда trrдостигает значений 30-50 нсек при напряжениях до 1200 В, и что исключительно важно в диапазоне рабочих температур вплоть до предельных динамических характеристик остаются не меняющимися.
На фиг.1 показан мощный высоковольтный IGBT транзистор с интегрированным в одном корпусе или на кристаллоносителе внешнем антипраллельновключенным арсенид-галлиевым p-i-n диодом., который состоит из кристалла 1 IGBT транзистора, внешнего антипараллельновключенного коллектор-эмиттер кристалла 2 быстровосстанавливающегося арсенид-галлиевого p-i-n диода; керамического кристаллодержателя 3, металлического фланца корпуса 4 электрических выводов эмиттера 5, изолированного затвора 6; коллектора 7; электрических межсоединений 8.
На фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема мощного высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором с внешним антипараллельным коллектор-эмиттер диодом.
Металлические детали кристаллодержателя и микросборки 4,5,6,7 изготавливаются методом штамповки, изолирующая теплопроводная керамика 3 изготавливается из шихты материалов с химическим составом Beo, AlN, Аl2O3 и др. методом горячего прессования, литья с последующим нанесением, вжиганием, химосаждением металлизации.
Кристалл 1 IGBT прибора изготавливается по описанному выше технологическому маршруту с применением фотолитографии, ионной имплантации, термообработок, радиационных обработок, нанесением омических металлических контактов к областям эмиттера, коллектора и затвора.
Кристалл 2 арсенид-галлиевого p-i-n диода изготавливается методом последовательной жидкостной эпитаксии катодных высокоомной и низкоомной областей n-типа на анодных монокристаллических высоколегированных p+ - типа подложках арсенида галлия, с созданием металлических контактов к анодной и катодной областями меза-области в периферийной анодно-катодной зоне с последующей защитой выходящего на поверхность р-n перехода.
Сборка прибора в целом осуществляется методом пайки на кристаллодержатель и сварки выводов и межсоединений.
1. Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельно включенным коллектор-эмиттер быстродействующим диодом, содержащим корпус или кристаллодержатель, кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, кристалл обратновключенного быстродействующего высоковольтного диода, электрические межсоединения, отличающийся тем, что взамен кристалла высоковольтного карбид-кремниевого диода Шоттки используется кристалл быстровосстанавливающегося высоковольтного арсенид-галлиевого p-i-n диода.
2. Мощный высоковольтный биполярный транзистор с изолированным затвором с интегрированным в одном корпусе или кристаллодержателе антипараллельно включенным коллектор-эмиттер быстродействующим диодом по п.1, отличающийся тем, что кристалл используемого быстровосстанавливающегося высоковольтного арсенид-галлиевого p-i-n диода может иметь отрицательный или положительный коэффициент зависимости прямой вольт-амперной характеристики от температуры.
