Силовая электроника №1'2013

Радиационная технология прецизионного управления параметрами высоковольтных тиристоров

Сурма Алексей


В статье рассматривается технология обеспечения малого разброса статических и динамических параметров силовых высоковольтных тиристоров, адаптированных для последовательного и параллельного включения в высоковольтных линиях электропередачи и импульсных преобразователях. Приведены результаты применения нового метода контроля режимов облучения ускоренными электронами, дающего возможность прецизионно контролировать характеристики тиристоров.

В связи с ростом мощности преобразовательных устройств силовой полупроводниковой электроники все более востребованными сегодня становятся высоковольтные и сильноточные тиристоры, адаптированные для применения в последовательном и/или параллельном соединениях.

Тиристоры, комплектующие параллельные сборки, должны иметь высокую идентичность ВАХ во включенном состоянии; тиристоры для применения в последовательных сборках — высокую идентичность характеристик обратного восстановления. Общим требованием для всех этих применений является наличие тождественных и, желательно, минимизированных температурных зависимостей указанных характеристик.

Чтобы этого добиться, необходимо, во-первых, обеспечить высокую воспроизводимость распределений донорных и акцепторных примесей в слоях полупроводникового элемента тиристора. Современные технологии и оборудование имплантации и диффузии, применение в качестве исходной подложки высококачественного «силового» нейтронно-легированного кремния, как правило, позволяют решить эту задачу.

Во-вторых, необходимо обеспечить равное время жизни носителей заряда в слоях тиристора. Решение этой задачи для современных высоковольтных тиристоров на напряжения свыше 4000 В имеет следующую трудность. Необходимые для получения удовлетворительно низкого падения напряжения во включенном состоянии значения времени жизни носителей заряда (τ) в n-базе такого тиристора составляют 100–300 мкс, при значениях и типичном разбросе τ в поставляемых партиях исходного монокристаллического кремния — 500–1000 мкс. Таким образом, достичь снижения τ в n-базе готового элемента с требуемой точностью (разброс менее нескольких процентов, а иногда и долей процента) невозможно без учета исходного значения этой электрофизической характеристики для данного конкретного полупроводникового элемента.

Одной из эффективных технологий точного регулирования τ и, следовательно, прецизионной подгонки параметров тиристоров, от него зависящих, является облучение ускоренными электронами. Снижение времени жизни неосновных носителей заряда в базе прибора происходит при этом за счет внедрения туда радиационных дефектов [1]. На рис. 1 приведены типичные зависимости величины 1/τ–1/τ0 (где τ0 — значение до облучения) в кремнии от интегрального потока облучения для разных частиц [2]. Таким образом, на определенном участке доз облучения выполняется зависимость (1):



 Типичные зависимости времени жизни носителей заряда от потока облучения

Рис. 1. Типичные зависимости времени жизни носителей заряда от потока облучения: 1 — γ-квантами; 2 — электронами 2,5 МэВ; 3 — электронами 30 МэВ; 4 — быстрыми нейтронами

Практика показывает, что при электронном облучении высокоомного «силового» бестигельного или нейтроннолегированного кремния значение коэффициента Kτ весьма стабильно и мало меняется в партиях поставляемого материала, что обеспечивает возможность прецизионного регулирования τ в n-базе полупроводникового элемента. Необходимо, однако, обеспечить также точность и воспроизводимость плотности интегрального потока (дозы) облучения Ф.

Наиболее распространенная методика контроля дозы облучения с помощью цилиндра Фарадея дает относительную погрешность 15–20% при измерении необходимых для облучения высоковольтных тиристоров доз в диапазоне 1E11–1E12 см-2. Это не вполне удовлетворяет требованиям прецизионности в производстве этих полупроводниковых приборов и делает актуальным поиск альтернативных методов.

Одним из перспективных здесь представляется метод прямого измерения τ на сопровождающих облучаемые объекты кремниевых кристаллах-спутниках. Из (1) видно, что если обеспечить прецизионность измерения времени жизни и знать коэффициент радиационной деградации Kτ, то по Δ(1/τ) можно находить Ф. Значения Kτ и τ0 для облучаемых тиристорных элементов и диодов спутников могут различаться, однако, зная в каждом случае величины τ0, а также при условии высокой стабильности констант Kτ, можно всегда однозначно получить значение τ в базе диода-спутника, при котором в n-базе тиристорного элемента будет получено свое требуемое значение времени жизни. Суть метода контроля дозы, таким образом, заключается в измерении деградации времени жизни в тестовой структуре во время процесса облучения, а прецизионность метода будет определяться:

  • прецизионностью измерения τ или связанных с ним характеристик тиристорного элемента до облучения;
  • прецизионностью измерения τ или в базе диода-спутника во время облучения;
  • стабильностью Kτ.

Рассмотрим аппаратно-методическую реализацию этих условий в рамках технологии прецизионного регулирования характеристик высоковольтных тиристоров электронным облучением.

Измерение τ в базе диодных кристаллов-спутников реализуется методом Лэкса [3]. Несмотря на то, что по отношению к реальной физической величине τ метод Лэкса может быть неточен, он имеет высокую воспроизводимость при неизменных параметрах структуры и измерения. В нашем случае по данным физико-топологического моделирования [4] при параметрах импульсов I1 = 200 мА, I2 = 200 мА и timp+ = timp = 200 мкс выполняется:

где ts — время задержки обратного напряжения.

Диоды-спутники изготавливаются на основе высокоомного нейтронно-легированного кремния, близкого по своим характеристикам к кремнию, на котором изготавливаются тиристорные элементы, что обеспечивает стабильность значений Kτ. Элементы диодов-спутников — кристаллы 4×4 мм, вырезанные из пластин, прошедших по маршруту диффузионной технологии силового диода. Во время облучения диод-спутник закрепляется в центре мишени в контактной оправке, от которой в центр управления ускорителем протянут коаксиальный кабель (рис. 2).

 Схема измерения времени жизни носителей заряда на диодных кристаллах-спутниках

Рис. 2. Схема измерения времени жизни носителей заряда на диодных кристаллах-спутниках в процессе облучения

Приведем типичные результаты прецизионного регулирования параметров тиристоров облучением ускоренными электронами с энергией 6 МэВ при использовании вышеописанной методики контроля.

Для партий тиристоров T353-800-35 на средний ток 800 А и напряжение 3500 В, которые используются в последовательно-параллельных сборках в составе высоковольтных импульсных преобразователей, заказчик требует обеспечения разброса напряжения во включенном состоянии UТМ не более ±0,1 В для равномерного распределения нагрузки при паралельном соединении тиристоров. Также одновременно должно быть обеспечено ограничение импульсного тока обратного восстановления IrrM до величины не более 130 А. Тиристоры предварительно группируются по значениям исходного UТМ с «шагом» между гуппами 0,05 В, затем облучаются с использованием описанного выше метода. При этом удается снизить технологический разброс до 1,8 В≤UТМ≤1,9 В, что в два раза превышает необходимый (рис. 3), а также удовлетворить требованиям по IrrM (рис. 4), при этом общий процент выхода приборов с указанным сочетанием параметров превышает 95%.

 Типичное статистическое распределение в партии тиристорных элементов Т353-800-35

Рис. 3. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 2500 А) в партии тиристорных элементов T353-800-35 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами


 Типичное статистическое распределение импульсного тока обратного восстановления

Рис. 4. Типичное статистическое распределение импульсного тока обратного восстановления IrrM (Tj = +125 °C, ITM = 800 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов T353-800-35 после прецизионной обработки ускоренными электронами

Для тиристоров Т643-320-65 на средний ток 320 А и напряжение 6500 В, адаптированных для последовательного соединения, прецизионная технология регулировки заряда обратного восстановления позволяет снизить разброс Qrr в партии до значений ±70–80 мкКл (рис. 5). Разброс значений UТМ при этом также минимизирован (рис. 6).

 Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления

Рис. 5. Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления Qrr (Tj = +125 °C, ITM = 320 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов Т643-320-65 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами


 Типичное статистическое распределение в партии тиристорных элементов Т643-320-65

Рис. 6. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 2500 А) в партии тиристорных элементов Т643-320-65 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

На рис. 7 показано изменение разброса заряда обратного восстановления в партиях высоковольтных тиристоров Т273-1250-44 на ток 1250 А и напряжение 4400 В после проведения операций прецизионного облучения. На рис. 8 приведены соответствующие статистические распределения падения напряжения во включенном состоянии. Видно, что разброс заряда обратного восстановления в массовых партиях тиристоров снижается до величины менее 5%. Разброс величин падения напряжения во включенном состоянии после проведения операций прецизионного облучения составляет менее ±0,05 В, что облегчает согласование работы тиристоров в параллельном соединении, если это требуется.

 Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления в партии тиристорных элементов Т273-1250-44

Рис. 7. Типичное статистическое распределение заряда обратного восстановления Qrr (Tj = +125 °C, ITM = 1250 А, di/dt = –5 А/мкс) в партии тиристорных элементов Т273-1250-44 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами


 Типичное статистическое распределение в партии тиристорных элементов Т273-1250-44

Рис. 8. Типичное статистическое распределение UTM (ITM = 4000 А) в партии тиристорных элементов Т273-1250-44 до и после прецизионной обработки ускоренными электронами

Таким образом, радиационно-технологические методы прецизионного регулирования характеристик высоковольтных тиристоров, адаптированных для параллельно-последовательного соединения, позволяют в массовых партиях снизить разброс UTM до величин не более ±0,05 В при разбросе Qrr не более 5%.

Литература

  1. Carlson R.O., Sun Y.S., Assalit H.B. Lifetime control in silicon power devices by electron or gamma irradiation // Electron Devices, IEEE Transactions on. 1977. № 24.
  2. Кулаков В. М., Ладыгин Е. А. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. М: Сов. Радио. 1980.
  3. Lax B. Transient Response of a PN Junction // J. Appl. Phys. 1954. № 25.
  4. Филатов Н. И., Лонгинов В. В. Система смешанного приборно-схемотехнического моделирования БИС ИСТОК // 35 Intern. Wiss. Koll. TH Ilmenau. DDR. 1990.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2013_01_11.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо