Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Современные силовые запираемые тиристоры

Современные силовые запираемые тиристоры

Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники началось в 1953 г., когда стало возможным получение кремния высокой чистоты и формирование кремниевых дисков больших размеров. В 1955 г. был впервые создан полупроводниковый управляемый прибор, имеющий четырехслойную структуру и получивший название «тиристор».

Он включался подачей импульса на электрод управления при положительном напряжении между анодом и катодом. Выключение тиристора обеспечивалось снижением протекающего через него прямого тока до нуля, для чего было разработано множество схем индуктивно-емкостных контуров коммутации. Однако они не только увеличивали стоимость преобразователя, но и ухудшали его массо-габаритные показатели, снижали надежность.

Поэтому одновременно с созданием тиристора начались исследования, направленные на обеспечение его выключения по управляющему электроду. Главная проблема состояла в обеспечении быстрого рассасывания носителей зарядов в базовых областях.

Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Они получили название Gate Turn Off (GTO). В нашей стране они больше известны как запираемые или выключаемые тиристоры.

В середине 90-х годов был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшем развитием GTO-технологии.

Тиристоры GTO

Устройство. Запираемый тиристор — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого лежит классическая четырехслойная структура. Включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. На рис. 1 приведены условное обозначение (а) и структурная схема (б) выключаемого тиристора.

Подобно обычному, он имеет катод K, анод А и управляющий электрод G. Различие в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и р-проводимостями.

Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.

Базовый слой p, несмотря на то что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.

Анодный слой p имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.

Основное исполнение тиристоров GTO — таблеточное с четырехслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.

Принцип действия

В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.

Рис. 1

На схематичном разрезе тиристорной структуры (см. рис. 1, б) нижний вывод — анодный. Анод контактирует со слоем p. Далее (снизу вверх) следуют: базовый слой n, базовый слой p (имеющий вывод управляющего электрода) и слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три p—n-перехода: j1 между слоями p и n; j2 между слоями n и p; j3 между слоями p и n.

Фаза 1 — включение

Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Все напряжение прикладывается к среднему переходу j2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j2 образуется зона, обедненная носителями зарядов, получившая название области объемного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности UG (вывод «+» к слою p). В результате по цепи протекает ток включения IG.

Запираемые тиристоры предъявляют жесткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Через переход j3, кроме тока утечки, начинает протекать ток включения IG. Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя n в слой p. Далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n.

Одновременно увеличится встречная инжекция дырок из слоя p в слой n и далее в слой p, то есть произойдет увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов.

Читайте так же:
Как проверить емкость конденсатора большой емкости

Cуммарный ток, проходящий через базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут свободно переходить через все его четыре области.

Фаза 2 — проводящее состояние

В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе IG, если анодный ток превышает величину тока удержания. Однако на практике, для того чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, все же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, в течение времени включения и нахождения в проводящем состоянии система управления формирует ток положительной полярности.

В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок — в обратном направлении). Через переходы j1, j2 протекает анодный ток, через переход j3 — суммарный ток анода и управляющего электрода.

Фаза 3 — выключение

Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения UT (рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.

Рис. 2

По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IТ тиристора за короткий промежуток времени до небольшой величины IТQT (рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счет энергии, запасенной в индуктивности цепей управления, он еще некоторое время находится в приоткрытом состоянии.

Рис. 3

После того как вся энергия, запасенная в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход j3 со стороны катода полностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.

Процесс рекомбинации и, следовательно, выключения запираемого тиристора во многом зависит от крутизны фронта dIGQ/dt и амплитуды IGQ обратного тока управления. Чтобы обеспечить необходимые крутизну и амплитуду этого тока, на управляющий электрод требуется подать напряжение UG, которое не должно превышать величины, допустимой для перехода j3.

Фаза 4 — блокирующее состояние

В этом режиме к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности UGR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток IGR, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j3. Последний смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в обратном направлении, и образованы две области пространственного заряда. В течение всего времени выключения и блокирующего состояния система управления формирует напряжение отрицательной полярности.

Защитные цепи

Использование тиристоров GTO требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массогабаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи — ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (см. рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

Кроме конденсаторов и дросселей в защитных цепях используют дополнительные элементы, обеспечивающие разряд и заряд реактивных элементов. К ним относятся: диод DВ, который шунтирует резистор RВ при выключении тиристора Т и заряде конденсатора СВ, резистор RВ, ограничивающий ток разряда конденсатора СВ при включении тиристора Т.

Система управления

Система управления (СУ) содержит следующие функциональные блоки: включающий контур, состоящий из схемы формирования отпирающего импульса и источника сигнала для поддержания тиристора в открытом состоянии; контур формирования запирающего сигнала; контур поддержания тиристора в закрытом состоянии.

Все перечисленные блоки нужны не для всех типов СУ, но контуры формирования отпирающих и запирающих импульсов должна содержать каждая СУ. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку схемы управления и силовой цепи выключаемого тиристора.

Для управления работой выключаемого тиристора применяются две основные СУ, отличающиеся способами подачи сигнала на управляющий электрод. В случае, представленном на рис. 4, сигналы, формируемые логическим блоком St, подвергаются гальванической развязке (разделение потенциалов), после чего производится их подача через ключи SE и SA на управляющий электрод выключаемого тиристора Т. Во втором случае сигналы сначала воздействуют на ключи SE (включения) и SA (выключения), находящиеся под тем же потенциалом, что и СУ, затем через устройства гальванической развязки UE и UA подаются на управляющий электрод.

Читайте так же:
Кусторез электрический рейтинг лучшие модели

В зависимости от расположения ключей SE и SA различают низкопотенциальные (НПСУ) и высокопотенциальные (ВПСУ, см. рис. 4) схемы управления.

Рис. 4

Система управления НПСУ конструктивно проще, чем ВПСУ, однако ее возможности ограничены в отношении формирования управляющих сигналов большой длительности, действующих в режиме протекания через тиристор прямого тока, а также в обеспечении крутизны импульсов управления. Для формирования сигналов большой длительности здесь приходится использовать более дорогие двухтактные схемы.

В ВПСУ высокая крутизна и увеличенная длительность управляющего сигнала достигается проще. Кроме того, здесь сигнал управления используется полностью, в то время как в НПСУ его величина ограничивается устройством разделения потенциалов (например, импульсным трансформатором).

Информационный сигнал — команда на включение или выключение — обычно подается на схему через оптоэлектронный преобразователь.

Лекция 14. Тиристоры, принцип работы, классификация и основные параметры

Тиристором (от греч. thyra — дверь и резистор), называется полупроводниковый прибор, содержащий триpnперехода и четыре слоя с чередующимися типами проводимости. Тиристоры обладают односторонней проводимостью от анода к катоду. Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные (управляемые) тиристоры. Условные графические обозначения динистора и тиристора, а также внешний вид некоторых типов тиристоров представлен на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Условное графическое обозначение и внешний вид динистора и тиристора

Электрические характеристики тиристоров близки к характеристикам идеального ключа. Они могут находиться только в двух состояниях:

— закрытом – сопротивление более 100 кОм;

— открытом – сопротивление 0,01…0,1 Ом.

Общим признаком, характерным для четырёхслойных полупроводниковых структур, является регенеративный процесс, происходящий при открывании (переходе из закрытого в открытое состояние). Регенеративный процесс возникает из-за внутренней положительной обратной связи.

Рассмотрим работу неуправляемого диодного тиристора – динистора. Структура динистора представлена на рис. 14.2.

Для удобства анализа работы такой pnpnструктуры заменим её эквивалентной схемой из двух транзисторов с разным типом проводимостиpnpиnpn. Эквивалентная схема представлена на рис. 14.3.

Из эквивалентной схемы замещения динистора видно, что переход П1 – это переход эмиттер-база транзистора pnp, переход П3 – это переход эмиттер-база транзистораnpn, а переход П2 – их общий переход коллектор-база.

Рис. 14.2. Структура динистора

Рис. 14.3. Эквивалентная схема замещения динистора:

а – с послойным представлением переходов; б – на транзисторах pnpиnpn

При приложении к динистору напряжения в полярности, указанной на рис. 14.2 (+ к аноду, к катоду), переходы П1 и П3 открыты, а П2 закрыт. Через динистор проходят два встречных потока зарядов:

— дырки из слоя p1черезn2вp3;

— электроны из слоя n4черезp3вn2.

В базах n2иp3эти носители зарядов частично рекомбинируют, и в переход П2 входит лишь часть этих потоков, определяемая коэффициентами передачи токов1и2. Также через переход П2 проходит ток не основных носителей зарядов, представляющий собой обратный ток закрытого переходаIК.ОБР. Тогда суммарный ток через переход П2 составит

. (14.1)

Но по первому закону Кирхгофа ток в неразветвлённой цепи одинаков на любом её участке, следовательно

, (14.2)

где I– ток во внешней цепи.

Так как ,, тогда из выражений (14.1) и (14.2) можно записать, причём2>1.

Регенеративный процесс (из-за внутренней положительной обратной связи) учитывается коэффициентом лавинного умножения М. С учётом этого коэффициента получим

. (14.3)

Следовательно, ток закрытого динистора определяется обратным током перехода П2. В лекции 1 было отмечено, что с ростом обратного напряжения возрастает обратный ток закрытого pnперехода, а в лекции 9 – что этот ток возрастает и с ростом температуры.

На рис. 6.3 была показана зависимость коэффициента передачи тока эмиттера транзистора от величины тока эмиттера. Из рисунка следует, что для малых значений тока 1. Но с увеличением токабыстро увеличивается.

Если увеличивать напряжение во внешней цепи динистора, начнёт увеличиваться обратный ток перехода П2. Увеличение этого тока вызовет рост коэффициентов передачи 1и2транзисторов. Когда напряжение во внешней цепи достигнет значения, при которомM(1+2) = 1 (напряжение включенияUвкл), ток, в соответствии с выражением (14.3), резко возрастёт, наступит насыщение общего коллекторного перехода П2, и динистор откроется. Это явление иллюстрирует вольтамперная характеристика динистора, представленная на рис. 14.4.

Читайте так же:
Инструменты для пайки микросхем

Рис. 14.4. Вольтамперная характеристика динистора

На вольтамперной характеристике можно выделить три участка: 1 – участок закрытого состояния, когда рост напряжения во внешней цепи вызывает постепенное увеличение обратного тока перехода П2; 2 – участок отрицательного сопротивления, когда начинается регенеративный процесс, и напряжение на динисторе резко уменьшается; 3 – участок открытого состояния, аналогичный прямой ветви вольтамперной характеристике полупроводникового диода.

При приложении к динистору обратного напряжения переходы П1 и П3 закрыты, и динистор остаётся закрытым до напряжения лавинного пробоя (напряжения Зенера Uобр.макс), которое примерно равно напряжению включения. Если превысить величину напряжения Зенера, то переходы П1 и П3 будут пробиты, и динистор выйдет из строя.

С ростом температуры напряжение включение будет уменьшаться, так как при нагреве возрастает обратный ток перехода П2, и регенеративный процесс включения начинается при меньшем напряжении.

Время переключения в открытое состояние составляет единицы микросекунд, так как регенеративный процесс нарастает очень быстро. Открывание динистора – процесс обратимый. Чтобы регенеративный процесс в переходе П2 не прекращался, через динистор должен проходить ток, поддерживающий этот процесс. Минимальная величина прямого тока, при котором существует регенеративный процесс, называется током удержания. Для закрывания динистора нужно просто уменьшить ток через него до величины, меньшей тока удержания. Однако время выключения будет примерно в 10 раз больше, чем время включения, так как требуется рассасывание зарядов, насыщавших переход П2.

Существенным недостатком динисторов является невозможность перевода их в открытое состояние при напряжениях во внешней цепи, меньше чем напряжение включения. Этот недостаток устранён в тиристоре.

Рассмотрим работу управляемого четырёхслойного полупроводникового прибора – тиристора. Структура тиристора представлена на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Структура тиристора

Тиристор отличается от динистора наличием управляющего электрода УЭ, который подключён к слою р3, и на который подаётся положительное относительно катода напряжениеUупр.

Для тиристоров специально выбирают режим внешней цепи ЕА<Uвкл, чтобы тиристор был надёжно закрыт. Для перевода тиристора в открытое состояние подают импульс управляющего напряжения. Из-за этого увеличивается ток перехода П3, увеличивается коэффициент передачи тока2, и, если увеличение2будет достаточным для условияM(1+2) = 1, возникает регенеративный процесс и тиристор открывается.

После открывания тиристора управляющий электрод теряет свои управляющие свойства, поэтому закрыть не запираемый тиристор сигналом управляющего электрода нельзя. Закроется тиристор лишь тогда, когда ток во внешней цепи станет меньше тока удержания.

Рассмотрим влияние величины тока управления на напряжение открывания тиристора по вольтамперной характеристике, представленной на рис. 14.6.

Рис. 14.6. Вольтамперная характеристика тиристора

Если ток управления небольшой (IУПР1), то напряжение включение незначительно уменьшается относительноUВКЛдинисторного режима. С ростом величины тока управления (IУПР2>IУПР1) напряжение включения уменьшается. Если ток управления будет достаточно большим, то тиристор будет открываться при минимальном напряжении на аноде. Участок отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике исчезнет, то есть соединятся участки 1 и 3 (рис. 14.4). Такой управляющий ток называется током управления спрямления (IУПР.СПР).

Применение тиристоров

Достоинства тиристоров способствуют широкому применению их в различных областях техники.

Тиристоры применяются в схемах регулируемых выпрямителей и преобразователей постоянного тока в токи промышленной и более высоких частот, используемых при частотном регулировании асинхронных двигателей, для генераторов индукционного нагрева, плавки, закалки металлов и сушки различных материалов, в схемах стабилизации частоты при переменной частоте вращения первичных генераторов (например, на судах и самолетах), для создания источников напряжения автономной сети повышенной частоты, питания переменным током автономных потребителей с повышенной надежностью электроснабжения и др.

Мощности подобных преобразователей лежат в пределах от сотен ватт до сотен киловатт при промышленном КПД 85—95 %, а частоты — от десятков герц до нескольких килогерц (для генераторов индукционного нагрева частоты достигают иногда 10—20 кГц).

Преобразователи на тиристорах превосходят по своим технико-экономическим показателям преобразователи на ионных и электронных приборах и ламповые генераторы, используемые для получения промышленных частот.

Габариты тиристорных преобразователей в 2—3 раза меньше габаритов преобразователей на тиратронах и ламповых генераторов, что объясняется малыми габаритами самих тиристоров, отсутствием накала, низким напряжением источников питания, малой мощностью управляющих устройств и т. п.

Стоимость тиристорных преобразователей ниже стоимости преобразователей других типов, а возможность выполнения их полностью на полупроводниковых приборах позволяет повысить надежность, что особенно важно в случае работы преобразователей в системах без обслуживающего персонала.

Читайте так же:
Кирпич своими руками чертеж станка

Отсутствие накала обеспечивает мгновенную готовность тиристорных преобразователей к работе и повышает экономичность устройств.

Имеются также сведения об использовании тиристорных передатчиков в системах гидроакустики, связи и навигации, работающих на частотах до 300 кГц (до этого в указанных передатчиках большой мощности применялись в выходных каскадах только электронные лампы).

Так, например, был изготовлен передатчик на частоты 10—90 кГц. Максимальная мощность передатчика, равная 150 кВт, обеспечивается на частотах 10—30 кГц. С повышением частоты она понижается и на частоте 90 кГц составляет 10 кВт.

Коэффициент усиления по мощности оконечного каскада передатчика равен 67 дБ. В передатчике используется 96 тиристоров, и занимаемый им объем составляет 2,8 м 3 , что приблизительно в десять раз меньше объема, занимаемого аналогичным передатчиком на электронных лампах.

Промышленный КПД передатчика достигает 86%. В работе указано, что изготовлен тиристорный передатчик СДВ-диапазона на мощность 1 МВт.

Применяемые в преобразователях и передатчиках тиристорные устройства могут быть разбиты на четыре основные группы: однотактные тиристорные генераторы, двухтактные генераторы (инверторы), многотактные генераторы незатухающих колебаний повышенной частоты и усилители.

В первую группу включены генераторы, предназначенные для получения как затухающих, так и незатухающих колебаний в контуре нагрузки, причем контур нагрузки, используемый обычно в схемах таких генераторов, возбуждается одним тиристором (если в генераторе есть другие тиристоры и диоды, то они играют вспомогательную роль).

Режим работы генератора при генерировании затухающих колебаний аналогичен режиму ударного возбуждения колебательного контура (или контуров) импульсом тока, а при генерировании незатухающих колебаний — режиму работы однотактного лампового (транзисторного) генератора.

Энергия при незатухающих колебаниях поступает в контур нагрузки один раз за период колебаний высокой частоты. Время, когда на аноде тиристора сохраняется отрицательное напряжение (схемное время выключения), у генераторов незатухающих колебаний меньше половины периода генерируемой частоты.

В двухтактных генераторах (инверторах) передача энергии в нагрузку осуществляется двумя или большим числом тиристоров, а режим работы их похож на режим работы двухтактных ламповых (транзисторных) генераторов.

Схемное время выключения у них, так же как и в предыдущем случае, не превосходит половины периода генерируемой частоты.

Основным фактором, ограничивающим частоту генерируемых колебаний в однотактных генераторах незатухающих колебаний и инверторах, является недостаточное схемное время выключения. Для увеличения его могут быть использованы многотактные генераторы незатухающих колебаний.

Одна из схем таких генераторов приведена на рис. 5-10. В этих генераторах используются два или большее число тиристоров, режим работы каждого из которых аналогичен режиму работы лампы (транзистора) в умножителе частоты, т. е. импульс тока протекает через каждый тиристор один раз за несколько периодов высокочастотных колебаний.

После окончания прохождения импульса тока на аноде тиристора сохраняется отрицательное напряжение в течение длительного времени, обычно большего половины периода генерируемых колебаний.

Значение этого времени зависит от числа тиристоров в генераторе и частоты поступления энергии в контур нагрузки, которая, в свою очередь, определяется добротностью контура и допустимой неравномерностью колебаний в нем. На практике это время достигает нескольких периодов колебаний высокой частоты.

Если два тиристора не обеспечивают получение незатухающих колебаний в контуре нагрузки (амплитуда колебаний сильно изменяется в паузе между двумя соседними импульсами тока тиристоров), то число их увеличивают.

При этом частота следования импульсов тока через каждый тиристор сохраняется, а частота поступления энергии в контур нагрузки возрастает. Тиристорные усилители предназначены для усиления сигналов произвольной формы, частотный спектр которых обычно лежит в диапазоне звуковых частот, и могут быть использованы в качестве модуляторов или регуляторов напряжения.

Способ изготовления тиристоров

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении тиристоров. Сущность изобретения: способ включает резку кремниевого слитка на пластины и формирование диффузионной структуры с p-n — переходами. Катодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью n — типа или анодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью p — типа формируют на стороне, противоположной отрезаемой. 1 табл.

Изобретение относиться к области силовой полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении тиристоров.

Известен способ изготовления тиристоров по типовому технологическому процессу, согласно которому слиток монокристаллического кремния профилируют путем шлифования боковой поверхности до заданного диаметра, разрезают на пластины, шлифуют пластины с двух сторон, проводят ультразвуковую очистку и химическую обработку пластин, формируют на пластинах диффузионные структуры с p-n-переходами [1] Недостатком этого способа является то, что при резке слитка кремния на пластины глубина нарушенного слоя с отрезаемой стороны пластины больше, чем с противоположной. Кроме того, с отрезаемой стороны глубина нарушенного слоя не однородна по площади пластины: она меньше в части пластины, где начинался процесс резки, и максимальна в той части пластины, где заканчивался процесс резки. После двухстороннего шлифования пластин неоднородность по глубине нарушенного слоя сохраняется. В свою очередь это приводит к разнице в глубине эмиттерного p-n перехода по площади пластины и, как следствие, к различной эффективности шунтировки катодного эмиттерного перехода. Время выключения тиристора tq определяется небольшим участком с линейными размерами в несколько сот микрон, в котором эффективность шунтировки наименьшая, а импульсное напряжение в открытом состоянии UТМ определяется некоторой «средней» эффективностью шунтировки по всей площади тиристорной структуры. Исходя из изложенного понятно, что тиристор, у которого катодный эмиттерный переход создан с отрезаемой стороны, будет при прочих равных условиях характеризоваться худшим сочетанием таких параметров, как tq и UТМ, чем тиристор, у которого катодный эмиттерный переход создан со стороны, противоположной отрезаемой. Описанный способ не предусматривает возможности контролируемого формирования эмиттерного n + -p-перехода со стороны, противоположной отрезаемой, поэтому с равной вероятностью n + -p-переход может быть создан с любой стороны пластины. Поэтому примерно половина всех тиристоров, изготовленных этим способом, имеет неоптимальное сочетание UТМ и tq.

Читайте так же:
Заточка дисковой пилы в домашних условиях

Задача изобретения улучшение сочетания параметров UTM и tq.

Для решения поставленной задачи предлагается способ изготовления тиристоров, включающий резку кремниевого слитка на пластины и формирование диффузионной структуры с p-n-переходами, причем катодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью n-типа или анодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью p-типа формируют на стороне, противоположной отрезаемой.

Использование предлагаемого способа изготовления тиристоров гарантирует создание эмиттерного p-n-перехода со стороны, имеющей меньший и более однородный по глубине нарушенный слой, что обеспечивает достижение у всех тиристоров партии лучших сочетаний параметров UTM и tq.

Опробование предложенного технического решения было проведено при изготовлении партии тиристоров типа ТБ453-800 в количестве 100 шт. Тиристорные p + -p-n-структуры изготавливались из кремния марки КОФ 60-60 на основе серийного технологического процесса. После операции резки слитка в соответствии с предлагаемым способом на кремниевых пластинах с отрезаемой стороны были сделаны фаски-метки. Кремниевые пластины имели толщину после резки 680 мкм, после двухстороннего шлифования 420 мкм, глубины p-n-переходов 105 мкм, глубину катодного эмиттерного n + -p-перехода 21 мкм.

Для оценки эффективности предлагаемого способа партия была разделена на две равные части. На одной половине партии катодный эмиттерный переход был сформирован на стороне, противоположной фаске-метке, а на другой половине со стороны фаски-метки. На изготовленных выпрямительных элементах было осуществлено регулирование импульсного напряжения в открытом состоянии и времени выключения путем облучения их потоком быстрых электронов на установке «Электроника У003».

После облучения обе партии выпрямительных элементов имели практически равные значения UTM, удовлетворяющие условию 2,2 В UTM2,3 В. На них были измерены значения tq. Измерение проводилось в режиме IT 800 А, di/dt 10 А/мкс, UR 100 В; du/dt 50 В/мкс, UD 0,67 UDRM. Результаты измерений представлены в таблице. Из результатов измерений следует, что тиристоры, изготовленные предлагаемым способом, при одинаковых значениях UTM характеризуются меньшими значениями tq и меньшими различиями в его величине (tq 95 120 мкс, tq ср. 100 мкс), чем тиристоры второй половины партии (tq 130 200 мкс, tqср 160 мкс), что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа изготовления тиристоров. Средние значения UDRM и URRM в обеих половинах партии были практически равными, что свидетельствует о равных значениях толщины структуры и удельного сопротивления исходного кремния. Средние значения IGT во второй половине партии несколько меньше, чем в первой половине, а UGT несколько больше. Это объясняется тем, что большие значения глубины нарушенного слоя во второй половине партии привели к образованию более глубокого n + -p эмиттерного перехода и увеличению значения сопротивления под эмиттерным переходом.

Способ изготовления тиристоров, включающий резку кремниевого слитка на пластины и формирование диффузионной структуры с p n-переходами, отличающийся тем, что катодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью n-типа или анодный эмиттерный переход для тиристоров с широкой базовой областью p-типа формируют на стороне, противоположной отрезаемой.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector