Разработка и исследование мощного низкочастотного тиристора с блокирующим напряжением 10 кВ

Введение

Развитие преобразовательной техники тесно связано с развитием полупроводниковых приборов силовой электроники. Ориентируясь на мировые тенденции и потребности рынка, специалисты ОАО «Электровыпрямитель» постоянно проводят научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на совершенствование характеристик выпускаемой продукции и разработку новых типов силовых полупроводниковых приборов (СПП) и технологических процессов их производства.

Несмотря на значительный прогресс в области развития СПП с полевым управлением, биполярные тиристоры, как и раньше, востребованы в высоковольтных объектах электроэнергетики, промышленности и транспорта, где требуется высокая надежность, а срок службы оборудования достигает 30–40 лет.

Преобразователи, применяемые, например, в компенсаторах реактивной мощности или электроприводах среднего напряжения, оснащены, как правило, большим количеством последовательно соединенных таблеточных тиристоров. Использование сверхвысоковольтных тиристоров может повысить надежность и увеличить срок службы преобразователей, а также существенно снизить массо-габаритные параметры и цену. Поэтому повышение блокирующего напряжения низкочастотных тиристоров до предельных для кремния значений является одним из важнейших трендов среди лидеров силовой полупроводниковой электроники. Некоторые из них уже представили результаты разработки и серийного освоения тиристоров на сверхвысокие напряжения [1, 2].

В данной статье приведены результаты разработки отечественного низкочастотного тиристора с блокирующим напряжением 10 кВ.

Моделирование

Важным этапом разработки и проектирования СПП является математическое моделирование, которое учитывает электрофизические процессы в приборах, происходящие в реальных режимах эксплуатации. Моделирование представляет собой универсальный метод анализа и верификации конструктивно-технологических решений. При разработке конструкции новых приборов его роль очень велика, поскольку определяет правильность выбранных технических решений и снижает затраты на экспериментальные исследования.

Для описания стационарных и переходных процессов, протекающих при работе СПП, необходимо определить динамическое распределение концентрации носителей заряда, электростатического потенциала и температуры в его базовых областях. С этой целью проводится совместное решение феноменологической системы дифференциальных уравнений полупроводника (уравнений непрерывности, плотностей токов, Пуассона), уравнения теплопроводности, а также уравнений электрического баланса внешней цепи.

Расчеты проводились с помощью лицензионной версии пакета программ приборно-технологического моделирования ТСAD Sentaurus компании Synopsys. Этот программный комплекс позволяет учитывать практически все известные физические процессы, происходящие в полупроводниковых структурах. При расчете структуры тиристора были использованы:

• диффузионно-дрейфовая модель переноса носителей заряда;
• модель подвижности носителей заряда для слабого электрического поля, учитывающая температурную, концентрационную зависимость и рассеяние носителей заряда на носителях;
• модель подвижности носителей заряда, учитывающая влияние параллельного электрического поля и температуры;
• модель температурной и концентрационной зависимости времени жизни носителей заряда;
• температурная, концентрационная модель Оже-рекомбинации;
• модель ударной ионизации.

В качестве аналитической аппроксимации распределений легирующих примесей были выбраны функции распределения Гаусса, наиболее точно учитывающие реальный профиль распределения легирующих примесей в полупроводниковом кристалле тиристора. Использовалась элементарная ячейка четырехслойной кремниевой структуры с шунтом, расположенным в центре катодного эмиттерного перехода. Моделирование было выполнено в цилиндрической системе координат с вертикальной осью вращения.

Блокирующее напряжение сверхвысоковольтного тиристора определялось выбором значений основных геометрических и электрофизических параметров кремниевых пластин: удельного сопротивления исходного кремния (ρ_n), ширины n-базы (W_n), времени жизни неосновных носителей заряда в n-базе (τ_p) и концентрационного профиля распределения легирующих примесей N(x). Для тиристоров с высоким напряжением пробоя необходимо проводить глубокую диффузию акцепторной примеси с низкой поверхностной концентрацией и плавным градиентом вблизи высоковольтных p-n-переходов. В этом случае значительная часть приложенного обратного напряжения поддерживается диффузионной областью, что повышает напряжение пробоя. Также для улучшения температурной стабильности напряжения переключения использовалось технологическое шунтирование катодного эмиттера. Необходимо правильно выбирать значения ρ_n, W_n, τ_p, а также топологию катодного шунтирования и геометрию фаски, для того чтобы получить требующиеся значения блокирующих напряжений, статических и динамических параметров разрабатываемых тиристоров.

Расчет значений V_BO и V_BR проводился с учетом приложения к тиристору синусоидального импульса напряжения с амплитудой до 12 кВ и длительностью 10 мс. На рис. 1 показана расчетная зависимость напряжения пробоя тиристора при обратном смещении от удельного сопротивления ρ_n и ширины n-базы W_n кремниевой структуры. За напряжение V_BR принималось напряжение, при котором обратный ток во время нарастания синусоидального импульса напряжения достигал 200 мА.

Рис. 1. Расчетная зависимость напряжения лавинного пробоя VBR от удельного сопротивления (ρ₁< ρ₂< ρ₃<ρ₄< ρ₅) и ширины высокоомной n-базы (W₁< W₂< W₃) тиристорной структуры при температуре перехода T_j = 27 °C

На рис. 1 видно, что требованию V_BR ≥ 11 кВ удовлетворяют полупроводниковые структуры как с шириной W₂ и удельным сопротивлением в диапазоне ρ₃–ρ₅, так и с шириной W₃ и удельным сопротивлением в диапазоне ρ₂–ρ₅. Дальнейшие расчеты производились для тиристорной структуры с удельным сопротивлением ρ₃.

В реальных кремниевых структурах напряжение пробоя может быть ниже объемного пробоя вследствие превышения электрическим полем своего критического значения в области выхода p-n-переходов на боковую поверхность (фаску). Для повышения устойчивости тиристора к пробою при кратко­временных перенапряжениях необходимо, чтобы ударная ионизация и последующее лавинообразование происходили в объеме кремниевой структуры, а не в области фаски. В настоящее время при производстве высоковольтных тиристоров наиболее эффективным методом снижения напряженности электрического поля на поверхности p-n-переходов является механическое профилирование фаски с последующим ее травлением в смеси кислот и защитой, например, синтетическим каучуком.

Тиристорные структуры имеют два высоко­вольтных p-n-перехода. У каждого из них может быть свой оптимальный угол и соответствующий размер фаски. Для обеспечения симметричных прямых и обратных ветвей блокирующей ВАХ тиристора необходимо, чтобы на обеих поверхностях фаски максимальная напряженность электрического поля не превышала 70 кВ/см и происходило свободное расширение области пространственного заряда (ОПЗ) при приложенных напряжениях вплоть до 11–12 кВ. Этим требованиям наиболее полно отвечают фаски с двумя положительными углами. В отечественной практике для тиристоров с напряжением переключения и обратным напряжением свыше 7 кВ применяется геометрия профиля фаски под названием «несимметричный ласточкин хвост (НЛХ)» [3]. Преимущество данной конструкции фаски состоит в том, что она, при своих сравнительно небольших размерах, сохраняет полезную площадь тиристорной структуры, а также обеспечивает очень высокие рабочие напряжения и симметрию блокирующих ВАХ.

На рис. 2 представлено распределение напряженности электрического поля в области фаски НЛХ моделируемого тиристора при приложении к структуре прямого и обратного блокирующих напряжений амплитудой 11 кВ.

Рис. 2. Распределение напряженности электрического поля на поверхности фаски при блокирующем напряжении 11 кВ:
а) прямое смещение;
б) обратное смещение

Результаты моделирования показали, что при использовании фаски НЛХ на поверхности p-n-переходов при блокирующем напряжении 11 кВ электрические поля существенно ниже критических значений. ОПЗ на обеих фасках не ограничиваются высоколегированными областями p-n-переходов, создаются условия для их одинакового распределения и получения симметричных блокирующих ВАХ.

Были проведены расчеты вольт-амперных характеристик в проводящем состоянии высоко­вольтных тиристорных структур с различной шириной W_n при постоянной величине τ_p = 70 мкс. В расчете учитывалось, что при протекании импульсов тока полусинусоидальной формы длительностью τ_p = 10 мс имеет место изотермический режим, а процесс распространения включенного состояния полностью завершен. На рис. 3 приведен график зависимости V_T = f(W_n) 10-кВ тиристора при прямом токе амплитудой 1000 А и при температуре 125 °С.

Рис. 3. Зависимость падения напряжения 10-кВ тиристора от ширины n-базы при прямом токе 1000 А и температуре перехода T_j = 125 °C

Исходя из анализа результатов моделирования, были определены основные требования к конструкции и электрофизическим параметрам кремниевой структуры сверх­высоковольтного тиристора, обеспечивающие блокирующее напряжение не менее 10 кВ, низкие потери в открытом состоянии и максимальную токовую нагрузку.

Конструкция и технология тиристоров

Главной задачей на первом этапе разработки сверхвысоковольтного тиристора было достижение напряжений пробоя, близких к расчетным значениям (11–12 кВ). На этом пути встретились определенные трудности, связанные с применением высокоомного кремния (ρ ≈ 0,7 кОм), необходимого для указанных напряжений. Нужны были дополнительные меры, чтобы уменьшить как минимум на порядок концентрационный фон неконтролируемых быстродиффундирующих примесей (Au, Cu, Mn, Fе и др.), которые при проведении диффузионных процессов могли изменить уровень легирования исходного кремния и снизить напряжение пробоя тиристора.

Кроме того, для получения сверхвысоких напряжений требуются кремниевые пластины толщиной около 2 мм. При использовании таких пластин технологический процесс должен обеспечивать высокие времена жизни неосновных носителей заряда в базовых областях тиристорных структур (не менее 200 мкс). В противном случае тиристоры будут иметь большие падения напряжения, низкие рабочие и ударные токи. Поэтому перед диффузией легирующих примесей была применена технология глубокой очистки кремниевых пластин. Она производилась в герметичной камере, в тумане, состоящем из смеси растворителей и кислот для удаления органических и неорганических загрязнений с поверхности пластин, которые затем отмывались в высокодеионизированной воде и сушились центрифугированием. Режим процесса очистки пластин кремния, состав реагентов, температура, последовательность и длительность обработки и сушки задавались компьютерной программой.

Процесс создания p-n-переходов многослойной p-n-p-n-структуры тиристора был построен на основе действующей на предприятии технологии мощных таблеточных тиристоров. Для воспроизводимого получения выходных параметров на всех этапах формирования тиристорной структуры проводился контроль электрофизических параметров τ_p и N(x). По результатам этих измерений оценивалось качество каждого из проведенных процессов и, если требовалось, корректировались режимы последующих операций.

Высоковольтные тиристоры с широкой n-базой имеют, как правило, более низкую стойкость к скорости нарастания анодного тока (di/dt), чем низковольтные, вследствие больших коммутационных потерь в высоко­вольтном тиристоре в момент включения и более низкой скорости распространения включенного состояния. Для того чтобы компенсировать эти потери в сверхвысоко­вольтном тиристоре, применена специальная конструкция полупроводникового элемента с центральным управляющим электродом и вспомогательным тиристором, площадь первоначального включения которого в 2 раза больше, чем у обычных тиристоров. Это обеспечило высокую стойкость высоковольтного тиристора к скорости нарастания анодного тока и уменьшило время задержки включения. Введение в конструкцию управляющего электрода резисторов, интегрированных в кремниевую структуру, дало возможность повысить помехоустойчивость нового прибора.

Применяемая технология профилирования краевого контура ослабляет электрические поля на поверхности кремниевой структуры и обеспечивает прибору заданные характеристики блокирующих ВАХ. Чтобы исключить межэлектродный поверхностный пробой при высоком блокирующем напряжении на фаске, между краем катодной металлизации и молибденовым термокомпенсатором полупроводникового элемента сформировано дополнительное защитное кольцо из кремнийорганического компаунда.

Полупроводниковый элемент тиристора представляет собой неразъемное соединение кремниевого кристалла, соединенного со стороны анода с молибденовым термокомпенсатором диаметром 56 мм. Металлизация катода полупроводникового элемента выполнена магнетронным напылением алюминиевого покрытия толщиной около 20 мкм, которое минимизирует электрические и тепловые сопротивления в прижимных контактных соединениях тиристора и обеспечивают хорошее растекание тока по катодной поверхности тиристорной структуры.

Полупроводниковый элемент тиристора собран в металлокерамическом корпусе в форме таблетки высотой 35 мм по технологии герметизации методом холодной сварки с заполнением внутренней среды сухим азотом. Армированный изолятор корпуса изготовлен из вакуум-плотного керамического материала Al₂O₃. Керамический изолятор имеет развитую 6-реберную внешнюю поверхность с нанесенной защитной глазурью. Благодаря такой конструкции керамического изолятора прибор способен длительно работать с напряжением блокирующей ВАХ до 10 кВ при эксплуатации в соответствии с группой климатического исполнения УХЛ2 по ГОСТ 15150. Такой тиристор с условным обозначением Т253-630-100 продемонстрирован на рис. 4.

Рис. 4. Тиристор Т253-630-100

Результаты исследований

Результаты расчетов и моделирования тиристора были подтверждены результатами испытаний опытных образцов тиристоров Т253-630-100, проводившихся на автоматическом комплексе DTM 748 производства фирмы Schuster. Этот комплекс (рис. 5) предназначен для проверки статических параметров мощных высоковольтных таблеточных тиристоров, фототиристоров и диодов с диаметром кремниевых кристаллов 50–150 мм.

Рис. 5. Полуавтоматический комплекс DTM 748 для контроля статических параметров тиристоров

Установка используется для контроля статических параметров и характеристик приборов на токи до 15 000 А и на блокирующие напряжения до 13 кВ. Методики измерения параметров соответствуют российским и между­народным стандартам. Контроль осуществляется в автоматическом режиме по 18 параметрам тиристоров при комнатной и максимально допустимой температуре. Гибкое программное обеспечение позволяет легко создать любую последовательность измерений и управлять всеми функциями измерительных блоков. Результаты испытаний сохраняются в памяти ПК в виде протоколов. Они могут быть обработаны и представлены как на электронных носителях, так и распечатаны на бумаге.

На рис. 6 представлена типичная блокирующая вольт-амперная характеристика разработанного тиристора в закрытом состоянии, измеренная при комнатной температуре.

Рис. 6. Блокирующая вольт-амперная характеристика тиристора Т253-630-100 при T_j=22°С (красный цвет — прямая ВАХ, синий цвет — обратная ВАХ)

Видно, что достигнутое значение напряжения пробоя на опытных образцах высоко­вольтных тиристоров, равное 11,5 кВ, достаточно близко к расчетному (рис. 1). Были измерены обратные токи и токи утечки при температуре перехода T_j = 125 °C для повторяющегося напряжения в прямом и в обратном направлении, равного 10 кВ. Значения токов I_DRM и I_RRM не превышали 400 мА.

На рис. 7 приведена типичная вольт-амперная характеристика исследуемого тиристора (зеленая кривая) в открытом состоянии в диапазоне токов 200–1200 А при максимально допустимой температуре перехода.

Рис. 7. Типичная ВАХ тиристора на повторяющиеся напряжения 10 кВ в открытом состоянии при Т_j = 125 °С (1 — расчетная, 2 — измеренная, 3 — ВАХ аналога)

Программное обеспечение комплекса DTM 748 позволяет на основе полученных ВАХ проводить автоматический расчет параметров динамического сопротивления r_T и порогового напряжения V_T(TO) при заданных оператором условиях. Расчет максимально допустимого среднего тока в открытом состоянии тиристора проводили при протекании через него однополупериодного синусоидального тока с углом проводимости, равным 180 эл. град., на основе полученных значений V_T(TO) и r_T, а также установившегося внутреннего теплового сопротивления переход–корпус R_th(j-c) = 0,021 °С/Вт при температуре корпуса T_C = 70 °C.

Измеренные при комнатной температуре, в открытом состоянии для I_Т = 1000 А падения напряжения V_T ≤ 2,30 В. При проведении испытаний тиристоров были получены следующие результаты: при включении на частоте f = 50 Гц устойчивость к воздействию скорости нарастания анодного тока (di/dt)_crit ≥ 200 А/мкс и устойчивость к скорости нарастания анодного напряжения (dv/dt)_crit ≥ 1000 В/мкс.

Величина ударного тока I_TSM разработанного тиристора определялась экспериментальным путем. Через прибор пропускались одиночные импульсы тока полусинусоидальной формы длительностью t_p = 10 мс и амплитудой 10, 12, 14 кА. Испытания проводились при максимально допустимой температуре. Критерием предельного значения ударного тока было появление второго пика напряжения на кривой V(t), связанного с термогенерационным процессом, при котором начинаются шнурование тока и сильный разогрев в приборе. Выход прибора на термогенерационный пик напряжения считается предельным режимом. В процессе испытаний было показано, что при импульсах тока амплитудой I_T = 14 кА значения падения напряжения на тиристоре достигают критических значений V_T ≈ 24 В, но полупроводниковая структура еще сохраняет свою блокирующую способность и не наблюдается ее деструктивных изменений. Рабочее значение ударного тока принимается равным 12 кА, исходя из 85% от амплитуды ударного тока, при котором наблюдается термогенерационный пик на кривой V(t).

Параметры обратного восстановления, измеренные на нескольких образцах тиристора Т253-630-100, представлены в табл. 2.

Коэффициент формы тока обратного восстановления K_F = (dI_R/dt)_нар / (dI_R/dt)_спад исследуемых тиристоров близок к 1. Режим измерения заряда обратного восстановления: T_j = 125 °С, I_T = 630 A, di_T/dt = –10 A/мкс, V_R = 100 В.

Заключение

Результаты моделирования и экспериментальных исследований подтвердили возможность  создания отечественного низкочастотного тиристора на основе кремния диаметром 56 мм с блокирующим напряжением 10 кВ. Повышение блокирующего напряжения низко­частотных тиристоров до предельно высоких значений имеет практическое значение для развития преобразовательной техники в высоковольтных областях применения (статические компенсаторы, мягкий пуск, выпрямители для приводов среднего напряжения). Использование сверхвысоковольтных тиристоров позволит уменьшить массо-габаритные показатели преобразователей, упростить силовую схему и схему управления, сократить расходы на комплектующие и материалы, снизить стоимость преобразователей, повысить их конкурентоспособность.

Работы по доведению нового тиристора до коммерческого продукта продолжаются. Полученные результаты планируется использовать при разработке тиристоров с предельными параметрами по току и напряжению на основе высокоомного нейтронно-легированного кремния большого диаметра.