Лавинный диод от ООО Элемент-Преобразователь

ООО «Элемент-Преобразователь» расширил ряд лавинных диодов с жестким и гибким выводом на токи до 160 А и напряжение до 1800 В, освоив производство приборов ДЛ151-160 и ДЛ152-160. Аналоги этих приборов на территории Украины и России в настоящий момент не выпускаются.

Лавинные диоды используются в выпрямительных агрегатах для металлургической и химической промышленности, железнодорожного транспорта и в других электрических схемах, в которых наблюдается перенапряжение. Основное преимущество лавинных диодов перед силовыми выпрямительными диодами в том, что они не разрушаются при значительных перенапряжениях и после снятия напряжения восстанавливают свои параметры [1].

Электрические параметры и характеристики лавинного диода

Электрические параметры лавинных диодов представлены в таблице 1, габаритно-присоединительные размеры — на рис. 1.

Механизм лавинного пробоя

Лавинные диоды могут выдерживать значительные напряжения в обратном направлении.

При увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу лавинного диода, напряженность электрического поля в области пространственного заряда (ОПЗ) увеличивается и может достигнуть значений, при которых будет наблюдаться заметная ударная ионизация [2]. В ударной ионизации могут принимать участие носители как инжектированные в ОПЗ из базовых областей, так и генерированные в самой ОПЗ. Электроны и дырки образуют при ударной ионизации вторичные электронно-дырочные пары, которые умножаются в p-n-переходе. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент умножения носителей.

В сильных электрических полях, превышающих 104 В/см, носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла и рождения новых электронно-дырочных пар, вследствие чего наступает лавинный пробой p-n-перехода.

Высоковольтные p-n-переходы имеют лавинный пробой при оптимальном сочетании конструкции и технологии их производства.

Известно, что лавинный пробой p-n-переходов носит микроплазменный характер [1].

При детальном исследовании лавинного пробоя было установлено, что ток пробоя формируется вдоль серии хаотично расположенных каналов проводимости, пронизывающих p-n-переход и называемых микроплазмами. Причинами микроплазм являются всякого рода несовершенства и нарушения кристаллической решетки и включения, на которых электрическое поле превышает среднее значение, характерное для объемного заряда всего p-n-перехода.

В области лавинного пробоя вольт-амперная характеристика U(I) выпрямительного элемента описывается следующей зависимостью:

где U_проб (I₀) — напряжение загиба вольтамперной характеристики (напряжение, при котором появляются первые микроплазмы); I₀ — ток, соответствующий напряжению Uпроб; ΔT = T₂ – T₁ — перегрев p-n-перехода за счет протекания обратного тока I; β_T — температурный коэффициент пробивного напряжения.

Величина (dU/dI) = Rg представляет собой динамическое сопротивление p-n-структуры в области лавинного пробоя. Величина R_g определяется сопротивлениями микроплазм и их количеством. Число микроплазм растет с увеличением обратного напряжения, обратного тока. Зависимость динамического сопротивления лавинных диодов от обратного тока описывается формулой IR_g = A. Величина A = 4…10 для p-n-переходов с U_проб = 400…1000 В. Величина А характеризует степень однородности лавинного пробоя.

Изотермическая вольт-амперная характеристика p-n-перехода в области лавинного пробоя описывается выражением:

Величина R_g при больших обратных токах стремится к некоторому насыщению.

Требования к конструкции технологии изготовления

В процессе разработки лавинных диодов выработаны требования к качеству исходного материала, технологической обработке и элементам конструкции, позволяющие максимально снизить внесение механических напряжений в кремний:

• Ограничение плотности дислокаций вплоть до Ng ≤ 10² см² при их равномерном распределении по площади. Это относится к дислокациям, возникающим в дислокационном исходном кремнии особенно большого диаметра (60 мм и выше), в процессе изготовления приборов.
• Исключение свирл-дефектов, дефектов упаковки.
• Ограничение содержания О₂ и С в кремнии, преобразующихся в сложные комплексы Si-O и Si-C.
• Уменьшение примесной атмосферы, особенно примесей тяжелых и щелочных металлов на дислокациях и других кристаллических дефектах кремния.

Особо следует отметить отрицательное воздействие на ВАХ приборов «звездных» дефектов. Эти дефекты чаще возникают в процессе изготовления приборов и ухудшают ВАХ вплоть до потери p-n-переходом запирающих свойств.

Детальное изучение этих дефектов позволяет предположить, что это микротрещины, образовавшиеся в напряженном кремнии в процессе термической обработки. При определенном сочетании геометрических размеров элементов при термообработке могут возникнуть упругие деформации в структуре кремния вплоть до перехода их в пластическую деформацию (микротрещины). Эти механические напряжения в микроструктуре проявляются «звездами» и служат центрами локального пробоя p-n-перехода и разрушения кремния.

Однородность удельного сопротивления кремния является важным условием изготовления лавинных диодов.

Таким образом, для создания лавинных p-n-переходов необходимо:

1. Использование качественного кремния, характеризующегося отсутствием структурных дефектов (дислокаций, свирл-дефектов и других дефектов кристаллической решетки) или, по крайней мере, ограниченной плотностью равномерно расположенных дислокаций; минимальным содержанием примесных атомов О₂, С и других элементов; минимальным разбросом удельного сопротивления.
2. Технологическая обработка при создании p-n-переходов не должна вносить значительных повреждений кристаллической решетки кремния, максимально ограничить диффузию тяжелых и щелочных металлов, а также не должна создавать примесные атмосферы и включение, генерировать локальные области дислокаций и упругих напряжений.
3. Конструкция лавинных диода должна исключить возникновение значительных механических напряжений в кремнии.
4. Геометрические размеры структуры и фаска должны исключить смыкание ОПЗ с приконтактной областью.
5. Геометрия фаски, травление и защита ее должны исключить поверхностный пробой p-n-перехода, то есть обеспечить более низкую напряженность электрического поля на поверхности фаски, чем в объеме кремния.

Выводы

Использование лавинного диода в выпрямительных агрегатах позволяет увеличить надежность электрических схем и дает возможность уменьшить мощность используемого лавинного диода, так как защитную роль от пробоя будет играть лавинный ток, а не дополнительный запас по обратному напряжению силового диода.