научная статья по теме ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТИРИСТОР Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТИРИСТОР»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 67-69

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 62-932

высоковольтный импульсныи интегральный тиристор

© 2015 г. И. В. Грехов, А. Л. Жмодиков, С. В. Коротков

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 E-mail: korotkov@mail.ioffe.ru Поступила в редакцию 08.09.2014 г.

Приведены результаты исследований малогабаритного интегрального тиристора с рабочим напряжением 3300 В, недавно разработанного в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Показаны его высокие коммутационные возможности в режимах коммутации коротких быстронарастающих импульсов тока. Так, при длительности импульсов 600 нс была достигнута амплитуда коммутируемого тока 3.3 кА, при этом плотность тока составляла ~37 кА/см2.

DOI: 10.7868/S0032816215010292

Мощные электрические импульсы с временем нарастания тока порядка сотен наносекунд широко используются во многих областях современной электрофизики, например для накачки твердотельных и газовых лазеров, очистки жидких и газообразных сред электрическим разрядом, формирования мощных импульсов электромагнитного излучения и т.п.

Наиболее перспективными полупроводниковыми переключателями для формирования таких импульсов являются приборы тиристорного типа. В этих приборах блокирование приложенного напряжения осуществляется областью объемного заряда (о.о.з.) в широкой я-базовой области об-ратносмещенного коллекторного р—я-перехода, а модуляция проводимости этой области электронно-дырочной плазмой при переключении осуществляется двухсторонней инжекцией носителей из я+- и р+-эмиттерных областей.

Такой характер инжекции обеспечивает быструю и глубокую модуляцию проводимости я-базы и, следовательно, быстрое переключение в состояние с высокой проводимостью даже высоковольтных приборов с рабочим напряжением 2—3 кВ. Однако из-за довольно большого тангенциального сопротивления р-базовой области импульс тока управления, инициирующий переключение, протекает через узкую область я+-эмиттера, расположенную вдоль раздела я+- и р+-областей на поверхности. Поэтому в импульсном тиристоре, предназначенном для быстрой коммутации коротких импульсов, при которых включенное состояние не успевает распространяться по площади я+—р—я—р+-структуры, суммарная длина границы эмиттер—база должна быть очень большой.

В данной работе представлены результаты исследования предельных коммутационных возможностей тиристора с очень большой удельной длиной границы раздела эмиттер—база, полученной благодаря тому, что эмиттерный переход выполнен в виде большого количества узких полос я+-типа проводимости. Такая конструкция использовалась ранее [1, 2] в тиристоре, выключение которого обеспечивалось путем замыкания цепи эмиттер—база внешним полевым транзистором с малым сопротивлением канала.

Рис. 1. Конструкция элементарной ячейки импульсного интегрального тиристора.

67

5*

у

68

ГРЕХОВ и др.

Рис. 2. Осциллограммы тока I и падения напряжения и при переключении тиристора с омическим сопротивлением в базе (II, и{) и без него (12, Масштабы: по вертикали соответственно 550 А/деление, 500 В/деление, по горизонтали — 100 нс/деление.

На рис. 1 приведено поперечное сечение элементарной ячейки разработанного импульсного интегрального тиристора. Его основные электрофизические характеристики: толщина и-базы 340 мкм; глубина р+-перехода 6 мкм, и+-перехода — 2 мкм; удельное сопротивление и-базы 150 Ом • см; ширина и+-эмиттерной полосы 15 мкм, ее длина 115 мкм; ширина р+-базовой полосы 12 мкм; блокируемое напряжение 3.3 кВ; размер кремниевой структуры тиристора 4.5 х 5 мм; ширина краевой области (область охранных колец), обеспечивающей блокирование статического напряжения, ~0.9 мм; рабочая площадь тиристора ~0.09 см2.

Эмиттерный и+—р-переход состоит из большого числа и+-полос размером ~15 х 120 мкм, окруженных базовыми р-полосами примерно такого же размера. Полосы объединяются в группы металлическими шинами шириной ~100 мкм, которые в свою очередь объединяются более широкими шинами, к которым привариваются контактные провода. Такая конструкция позволяет получить большую суммарную длину границы эмиттерного и+— р-перехода на единицу площади и обеспечивает одновременное переключение большой площади и+—р—и—р+-структуры.

Принципиально важным условием при этом является однородность начала процесса включения во всех элементарных ячейках, поскольку из-за 8-образности вольт-амперной характеристики тиристорной структуры начальная неоднородность возрастает по мере развития процесса переключения. Для этого необходимо, в первую очередь, обеспечить строго одинаковую амплитуду

Рис. 3. Сравнительные осциллограммы процесса коммутации при использовании тиристора с омическим сопротивлением в базе (11, и{) и серийного импульсного тиристора КУ236А (12, и2). Масштабы: по вертикали соответственно 550 А/деление, 500 В/деление, по горизонтали — 100 нс/деление.

импульса включающего тока управления 1у, подводимого к каждой элементарной ячейке. В разработанных тиристорах это осуществляется тем, что каждая р-базовая полоса соединяется с шиной через омическое сопротивление Яу (участок р-базовой полосы, свободный от металлизации), причем величина Яу существенно превышает величину сопротивления квазилинейной части прямой вольт-амперной характеристики и+—р-перехода. В этом случае распределение включающего тока управления между эмиттерными полосами определяется величиной этого сопротивления, которое может контролироваться очень точно технологическими методами.

Исследование коммутационных характеристик импульсных интегральных тиристоров проводилось при использовании малоиндуктивной силовой цепи, состоящей из сборки силовых керамических конденсаторов типа К15-20 с общей емкостью 200 нФ, зашунтированной сборкой диодов "кроубар" (3 последовательно соединенных НЕЯ608). Через исследуемый тиристор осуществлялся разряд конденсаторов, причем коммутируемый ток ограничивался только монтажной индуктивностью силовой цепи и собственным электрическим сопротивлением тиристора. Так как величина монтажной индуктивности была очень мала (<100 нГн), то амплитуда коммутируемого тока во многом определялась величиной электрического сопротивления исследуемого тиристора (коммутационными потерями энергии в нем при переключении).

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 1 2015

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТИРИСТОР

69

Типичные осциллограммы коммутируемого тока I и падения напряжения и на исследуемых тиристорах приведены на рис. 2 и 3. При испытаниях амплитуда тока управления составляла ~7 А, длительность фронта нарастания ~50 нс. Коммутируемый ток измерялся с помощью малогабаритного пояса Роговского.

Осциллограммы на рис. 2 иллюстрируют процесс коммутации при использовании интегрального тиристора с омическим сопротивлением в базе (кривые 11 и и1) и без него (кривые 12 и и2) при одинаковом напряжении заряда силовых конденсаторов 2 кВ. Видно, что падение напряжения на тиристоре с сопротивлением в цепи базы меньше, что при прочих равных условиях обеспечивает большую амплитуду коммутируемого тока. Меньшие коммутационные потери энергии в тиристоре с омическим сопротивлением в базе свидетельствует о большей однородности процесса его переключения.

На рис. 3 приведены осциллограммы тока (11) и напряжения (и1) на тиристоре с сопротивлением в цепи базы непосредственно перед его разрушением, которое произошло в следующем цикле с амплитудой тока ~3.5 кА. Они были получены при использовании силовых конденсаторов с общей емкостью 400 нФ. Так как рабочая площадь тиристора равна ~0.09 см2, то неразрушающая плотность тока составила ~37 кА/см2.

Для сравнения на рис. 3 приведены осциллограммы разрушающего тока 12 и падения напряжения и2, полученные при исследовании коммутационных возможностей серийного импульсного

тиристора КУ236А с рабочей площадью ~0.2 см2, способного блокировать напряжение ~2.7 кВ. Интегральный тиристор имеет существенно лучшую динамику нарастания тока, меньшие коммутационные потери, значительно большую плотность разрушающего тока и примерно втрое меньшую общую площадь кремниевой структуры.

Определенным преимуществом интегральных тиристоров является также возможность принудительного прекращения инжекции электронов п+—р-эмиттером при замыкании накоротко цепи эмиттер—база полевым транзистором с малым сопротивлением канала. Это резко повышает частотные характеристики импульсных генераторов на их основе, поскольку заряд силового конденсатора может начинаться практически сразу после прохождения предыдущего импульса и включения полевого транзистора. Таким образом, теряет смысл само понятие "схемное время выключения тиристора", которое зачастую является фактором, определяющим предельную частоту следования импульсов. Кроме того, резко возрастает устойчивость генераторов к резким всплескам внешнего напряжения (äU/di-стойкость).

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-2900094).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грехов И.В., Костина Л.С., Рожков А.В. // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 19. С. 107.

2. Грехов И.В., Рожков А.В., Костина Л.С., Коновалов А.В., Фоменко Ю.Л. // ЖТФ. 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 105.

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 1 2015

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»