Источник АО «Протон-Электротекс»
Рассматривается технология обеспечения малого разброса статических и динамических параметров силовых высоковольтных тиристоров, адаптированных для последовательного и паралельного включения в высоковольтных линиях электропередач 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 идентичных и, желательно, минимизированных температурных зависимостей указанных характеристик.
Для получения идентичности указанных выше характеристик тиристоров 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 идентичность времени жизни носителей заряда в слоях тиристора. Решение этой задачи для современных высоковольтных тиристоров на напряжения свыше 4000 В имеет следующее затруднение. Необходимые для получения удовлетворительно низкого падения напряжения во включенном состоянии значения времени жизни носителей заряда (t) в n-базе такого тиристора составляют 100-300 мкс, при значениях и типичном разбросе t в поставляемых партиях исходного монокристаллическом кремнии – 500-1000 мкс.
Таким образом достичь снижения t 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 этого конкретного полупроводникового элемента.
Одной из эффективных технологий точного регулирования t 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/ t - 1/ t0 (где t0 – значение до облучения) в кремнии от интегрального потока облучения для разных частиц [2]. Таким образом, на определенном участке доз облучения выполняется зависимость (1):
Практика показывает, что при электронном облучении высокоомного «силового» бестигельного или нейтроннолегированного кремния значение коэффициента Kt весьма стабильно и мало меняется в партиях поставляемого материала, что обеспечивает возможность прецизионного регулирования t в n-базе полупроводникового элемента. Необходимо, однако, также обеспечить 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 t на сопровождающих облучаемые объекты кремниевых кристаллах-спутниках. Из (1) видно, что если обеспечить прецизионность измерения времени жизни и знать коэффициент радиационной деградации
Значения Kt и t0 для облучаемых тиристорных элементов и диодов спутников могут различаться, однако зная в каждом случае величины t0, а также при условии высокой стабильности констант Kt, можно всегда однозначно получить значение t 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:
1. Прецизионностью измерения t или связанных с ним характеристик тиристорного элемента до облучения;
2. Прецизионностью измерения t или в базе диода-спутника во время облучения;
3. Стабильностью Kt.
Рассмотрим аппаратно-методическую реализацию этих условий в рамках технологии прецизионного регулирования характеристик высоковольтных тиристоров электронным облучением.
Измерение t в базе диодных кристаллов-спутников реализуется методом Лэкса [3]. Несмотря на то, что по отношению к реальной физической величине t метод Лэкса может быть не точен, он имеет высокую воспроизводимость при неизменных параметрах структуры и измерения. В нашем случае по данным физико-топологического моделирования [4] при параметрах импульсов
Диоды-спутники изготавливаются на основе высокоомного нейтронно-легированного кремния, близкого по своим характеристикам к кремнию, на котором изготавливаются тиристорные элементы, что обеспечивает стабильность значений Kt. 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 протянут коаксиальный кабель в центр управления ускорителем (рис. 2).
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, напряжение 3500В, которые используются в последовательно-параллельных сборках в составе высоковольтных импульсных преобразователей, заказчик требует обеспечения разброса напряжения во включенном состоянии U_TM не более ±0,1В 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 U_TM с «шагом» между гуппами 0,05 В, затем облучаются с использованием описанного выше метода. При этом удается снизить технологический разброс до 1.8 В ≤U_tm ≤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%..
Для тиристоров Т643-320-65 на средний ток 320 А, 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 U_TM при этом также минимизирован (рис. 6).
На рис. 7 показано изменение разброса заряда обратного восстановления в партиях высоковольтных тиристоров Т273-1250-44 на ток 1250 А, напряжение 4400 В, после проведения операций прецизионного облучения. На рис. 8 показаны соответствующие статистические распределения падения напряжения во включенном состоянии. Из рисунков 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.
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%.
Сурма A.М., Кисляков В.С.
Научно-технический центр АО «Протон-Электротекс»