Высоковольтные полупроводниковые приборы с повышенным быстродействием Гейфман, Евгений Моисеевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Силовые полупроводниковые приборы (СПП) являются основной элементной базой силовой преобразовательной техники. Их характеристики определяют эффективность преобразователей, которые применяются во многих областях народного хозяйства - электрифицированном транспорте, в химической и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, самолето- и судостроении, электроэнергетике и в станкостроении и т.д.

До последнего времени отечественным силовым полупроводниковым приборостроением были освоены и серийно производились СПП двух классов:

мощные и сверхмощные высоковольтные СПП с низкими динамическими характеристиками (низкочастотные тиристоры и диоды). Они могут иметь блокирующее напряжение до 6 кВ и более;

СПП с высокими динамическими характеристиками (частотные, быстродействующие), которые, однако, являются относительно низковольтными. Блокирующее напряжение у них не более 2 кВ.

Это деление обусловлено тем, что существует ряд ограничений, которые делают невозможным сочетание в одном классе приборов максимальных значений его основных характеристик - повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии (Udrm), импульсного напряжения в открытом состоянии (Utm), времени выключения (t_q), заряда обратного восстановления (Qrr) и др. Одни ограничения носят принципиальный характер и связаны с особенностями работы приборов на основе многослойных структур с р-п-переходами, другие ограничения связаны с техническим уровнем производства (качество исходного кремния, технологическое оснащение и т.д.).

Для многих областей применения, в частности, в железнодорожном транспорте с асинхронными тяговыми двигателями, нужны СПП с блокирующим напряжением 4-6 кВ, которые должны работать на повышенных частотах 100 Гц

Предполагалось, что в этом частотном диапазоне можно использовать низкочастотные СПП. Однако, например, в низкочастотных высоковольтных тиристорах из-за низких значений скорости распространения включенного состояния и слабого разветвления управляющего электрода (УЭ) велика длительность процесса включения всей площади прибора (tB). Типичные значения tn для высоковольтных тиристоров составляют ~ 1 мс, а для приборов большой площади могут составлять ~2-*-3 мс и выше, что совершенно неприемлемо при работе на частоте в сотни Гц. Кроме того, при изготовлении этих приборов практически не производится контролируемое регулирование времени жизни (т) неравновесных носителей заряда (НЮ) в базовых областях, поскольку время выключения не является лимитирующим параметром при работе на промышленной частоте 50 Гц. При работе же на повышенных час-

тотах этот параметр становится принципиально важным, что приводит к необходимости прецизионного контроля т. Кроме того, значительно возрастает доля коммутационных потерь и для их уменьшения необходимо существенно изменить конструкцию прибора.

Использование в указанных режимах существующих частотных и быстродействующих СПП также нецелесообразно. Эти приборы разработаны для диапазона частот 1

Цель работы.

Целью настоящей работы является создание нового класса полупроводниковых приборов - высоковольтных приборов с повышенным быстродействием, разработка технологических методов их изготовления и методов контроля качества приборов в условиях серийного производства.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Проведены физико-технологические исследования, приведшие к созданию нового класса СПП - высоковольтных приборов с повышенным быстродействием.

2. Установлена степень влияния на время жизни неравновесных носителей заряда рекомбинационных центров, образующихся в ВППБ при их изготовлении в условиях серийного производства, а также определен характер распределения этих центров в объеме полупроводниковой структуры.

3. Определены условия, обеспечивающие получение наилучших сочетаний основных параметров тиристоров при проведения протонного облучения и облучения электронами с энергией, близкой к порогу дефектообразования.

4. Установлены соотношения, описывающие изменение таких параметров СПП, как импульсное напряжение в открытом состоянии для тиристоров и импульсное прямое напряжение для диодов (U), а также заряда обратного восстановления (Qrr), при облучении приборов потоком быстрых электронов.

5. Установлены соотношения, позволяющие рассчитать оптимальную дозу для проведения локального облучения области управляющего электрода тиристора с целью снижения времени выключения.

6. Разработаны физические основы проектирования ВППБ, методы управления технологическим процессом изготовления и методы контроля их качества в условиях серийного производства. А именно:

6.1. Получены аналитические соотношения, позволяющие определить площадь первоначального включения (So) для тиристорной структуры с УЭ прямоугольной и круглой формы, с учетом смещения металлизации УЭ относительно катодного р-п-перехода.

6.2. Получены аналитические соотношения, устанавливающие связь между величиной So и величинами разрушающей энергии потерь, выделяющейся в области первоначального включения тиристора, а также величиной критической скорости нарастания тока в открытом состоянии при которой возможно возникновение эрозии Si в области УЭ.

7. Научная новизна технических решений, полученных в работе, защищена авторскими свидетельствами и патентами.

Научная и практическая ценность работы:

7. Разработка и освоение серийного производства на ОАО «Электровыпрямитель» ВППБ позволило решить важную народнохозяйственную задачу по обеспечению промышленности и транспорта надежными и высокоэффективными полупроводниковыми приборами для средних частот.

8. Проведены исследования, позволившие определить степень влияния рекомбинационных центров, создаваемых в полупроводниковых структурах ВППБ в условиях серийного производства, на величину и характер распределения времени жизни ННЗ в базовых слоях этих приборов.

9. Разработаны для использования в производстве СПП процессы протонного облучения и облучения электронами с энергией, близкой к порогу дефектообразования, обеспечивающие получение наилучших сочетаний основных параметров тиристоров и диодов.

10. Разработаны и внедрены в производство оптимизированные процессы регулирования величин U и Q_rr тиристоров и диодов, обеспечивающие получение этих величин с заданной точностью.

11. Разработан процесс локального облучения области УЭ тиристоров потоком быстрых электронов, обеспечивающий существенное снижение времени выключения тиристоров без ухудшения других параметров.

12. Разработаны и внедрены в производство экспериментальные и расчетные методы для определения величины площади первоначального включения тиристоров.

13. Разработаны экспериментальные и расчетные методы для определения величины критической скорости нарастания тока в открытом состоянии тиристоров.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

14. Результаты теоретических и экспериментальных исследований физических процессов в p-n-p-n-структурах, приведшие к созданию нового класса СПП - высоковольтных приборов с повышенным быстродействием, которые способны эффективно работать в преобразователях в области средних частот.

15. Радиационно-технологические режимы, защищенные патентами и авторскими свидетельствами, обеспечивающие получение наилучших сочета-

ний динамических и статических характеристик мощных диодов и тиристоров, а именно:

а) при облучении тиристоров протонами длина их пробега должна вы
бираться так, чтобы область повышенной рекомбинации располагалась в п-
базовой области, не попадая при этом в область объемного заряда анодного
р-п-перехода, а после облучения проводится термостабилизирующий отжиг в
течение 3-5 часов при температуре 500-520 К;

б) при облучении диодов электронами их энергия на поверхности полу
проводникового элемента должна быть такой, чтобы с учетом потерь энергии
электронами в материале контактного покрытия и в эмиттерной области, ее
величина в области р-п-перехода была не менее 250 кэВ, но не более 500+600
кэВ;

в) с целью обеспечения малого различия по величине регулируемых па
раметров электронное облучение СПП в условиях серийного производства
проводится в два этапа. До облучения необходимо измерить регулируемый
параметр (U, Q_rr, t₄, т), произвести первое облучение с заранее определенной
минимальной дозой, повторно измерить регулируемый параметр, разбрако
вать приборы на группы по величине этого параметра и на приборах, у кото
рых регулируемый параметр не достиг заданного значения, провести повтор
ное облучение с дозой, рассчитанной из соотношений, полученных в диссер
тации.

3. Результаты исследования изменения времени жизни ННЗ в ВППБ, подвергнутых электронному и протонному облучению, показавшие, что оно практически полностью обусловлено введением А-центров и дивакансий, причем эффективность рекомбинации ННЗ на дивакансиях в 10+15 раз больше, чем на А-центрах.

4. Результаты исследования процессов включения и выключения ВППБ, разработка физических основ проектирования, методов управления технологическим процессом и методов контроля качества ВППБ в условиях серийного производства. А именно:

1. Неразрушающий расчетно-экспериментальный метод определения выжнейшего параметра этих тиристоров - величины площади первоначального включения, особенностью которого является определение максимальной для исследуемого тиристора скорости нарастания тока в открытом состоянии при его включении на активную нагрузку, исходя из которой определяется величина So для данного тиристора.

2. Неразрушающий расчетно-экспериментальный метод определения величины критической скорости нарастания тока в открытом состоянии тиристоров, особенностью которого является определение величины So для каждого тиристора, разработанным способом (п.4.1.), и установление исходя из найденной величины So критической энергии потерь, выделение которой допустимо при каждом включении тиристора.

3. Методы контроля и корректировки качества изготовления тиристоров, заключающиеся в выявлении тиристоров с недостаточной величиной

критического заряда включения в области управляющего электрода и последующего его увеличения с помощью проведения электронного облучения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на межреспубликанской научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» в МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск, 1989 г.; на Всесоюзном совещании «Импульсная и высокочастотная РВД-электроника» ФТИ, Ленинград, 1989 г.; на отраслевом научно-техническом семинаре «Новые силовые полупроводниковые приборы. Проблемы обеспечения качества» в МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск, 1990 г.; на международной научной конференции памяти академика А. Крогериса «Полупроводники и их применение в энергетике» в г. Риге, 1991 г.; на III Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления конструирования, технологии и исследования силовых полупроводниковых приборов», ВЭИ им. Ленина, г. Москва, 1991 г.; на международной конференции «Проблемы преобразования электроэнергии» в МЭИ, г. Москва, 1993 г.; на международной конференции «Методы и системы управления технологическими процессами», МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск, 1997 г.; на II Международной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», г. Новочеркасск, 1997 г.; на Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98», Новосибирский гос. технический университет, 1997 г.; на II международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики», МГПИ, г. Саранск, 1999 г.; на V Международном симпозиуме «Электротехника 2010 год: Перспективные направления в развитии энергетики и электротехнического оборудования в 2000-2010 годах», ВЭИ им. В.И. Ленина, г. Москва, 1999г. Результаты работы вошли составной частью в конструкторско-технологическую документацию СПП, выпускаемых заводом «Электровыпрямитель» (г. Саранск).

Публнк-ации. По результатам исследований представленных в диссертационной работе, опубликовано 40 печатных работ, в том числе 2 монографии, 6 статей, 10 трудов и 15 тезисов докладов Международных, Всесоюзных и Всероссийских научных конференций, 3 авторских свидетельства и 4 патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 191 наименование и восьми приложений. Основная часть работы изложена на 246 страницах машинописного текста. Работа содержит 107 рисунков и 37 таблиц.