Современные полупроводниковые коммутаторы. Зорин_Реферат. Современные полупроводниковые коммутаторы для высоковольтных генераторов импульсов

• Название: Современные полупроводниковые коммутаторы для высоковольтных генераторов импульсов
• Анкор: Современные полупроводниковые коммутаторы
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 155.01 Kb.
• Имя файла: Зорин_Реферат.docx
• Тип: Реферат; #730197

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра экспериментальной физики

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Пучковые технологии»

Тема: «Современные полупроводниковые коммутаторы для высоковольтных генераторов импульсов»

Студент М.И. Зорин

гр. Фт-580301

Преподаватель С.Ю. Соковнин

Екатеринбург

2022

Оглавление

Введение 3

1Дрейфовые диоды с резким восстановлением 4

2Диоды с накоплением заряда 5

3SOS-диоды 6

4Тиристоры 9

5Реверсивно включаемый динистор 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 15

Введение

Проблема быстрого обрыва большого импульсного тока наиболее выражена при формировании мощных импульсов наносекундной длительности, где прерыватель должен выдерживать напряжение МВ и обеспечивать обрыв тока в десятки и сотни кА за время порядка единиц и десятков наносекунд.

Этим требованиям удовлетворяют два основных типа наносекундных прерывателей: плазменные прерыватели тока (ППТ) с наносекундной и микросекундной накачкой и прерыватели тока на основе электрического взрыва проволочек (ЭВП). Однако такие прерыватели либо принципиально не работают в частотном режиме (ЭВП), либо имеют низкую частоту повторения импульсов и ограниченный ресурс из-за эрозии электродов (ПП).

Для создания качественно новой мощной импульсной техники, способной выйти на технологические применения, используются индуктивные накопители с твердотельными прерывателями тока, имеющие высокие удельные характеристики и практически неограниченный срок службы. Основная проблема здесь состоит в разработке мощного частотного твердотельного размыкателя тока, способного в наносекундном диапазоне времени отключать кА токи и выдерживать напряжения порядка 10⁶ В.

1. Дрейфовые диоды с резким восстановлением

В 1983 году профессором И.В. Греховым был предложен и реализован сильноточный режим работы p⁺-p-n-n⁺структуры с плотностью обрываемого тока 200 А/см² и временем обрыва около 2 нс и рабочим напряжением 1 кВ. Такие диоды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ).

Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни нс) в базе р-n перехода создает тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у p-n-перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из остальной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При выполнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможной скоростью насыщения порядка 10⁷ см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1 – 2 кВ уровень донорной примеси в базе не может превышать 10¹⁴ см^-3, что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160 – 200 А/см². Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательно соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордными параметрами для последовательно соединенных ДДРВ являются импульсы с амплитудой напряжения 80 кВ, током 800 А и частотой следования 1 кГц



Рисунок 1 - Двухтактный мощный ДДРВ-генератор наносекундных импульсов (а) и осциллограммы тока через ДДРВ и напряжения на нагрузке (б).

2. Диоды с накоплением заряда

Принцип действия таких диодов основан на существовании встроенного тормозящего поля в базе диффузионного диода, образованного градиентом концентрации донорных атомов. Это поле препятствует распространению дырок в глубь базы на стадии прямой накачки и удерживает заряд вблизи p-n –перехода. За счет этого при прохождении обратного тока практически весь заряд успевает выйти из базы диода на стадии высокой проводимости. Малая величина остаточного заряда в базе к моменту образования объемного заряда у p-n –перехода приводит к резкому обрыву тока. Поэтому уровень инжекции низкий, а легирование высокое. Характерные токи 0,1А при 50В, времена обрывов 10^-9-10^-10 с.

Основное противоречие, препятствующее разработке мощного наносекундного полупроводникового прерывателя на основе метода токовой инжекции заряда, состоит в том, что процесс обрыва тока развивается в низколегированной базе диода. При этом возможно либо получение наносекундного времени отключения тока с низкой плотностью, которая определяется собственной проводимостью базы, свободной от избыточной плазмы (ДДРВ), либо получение высокой плотности отключаемого тока при его последующем медленном спаде через структуру, база которой заполнена плотной плазмой.

3. SOS-диоды

Импульсные генераторы на основе ДДРВ позволяют получать напряжения в десятки киловольт и токи до 10³ А. Для получения импульсов с более высокими параметрами используются SOS-диоды. SOS-эффект был обнаружен в обычных высоковольтных полупроводниковых диодах, предназначенных для выпрямления переменного тока, подбором определенного сочетания плотности тока и времени накачки. В дальнейшем для работы в условиях SOS-эффекта была разработана специальная полупроводниковая структура, имеющая сверхжесткий режим восстановления, на основе которой созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности и имеющие рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд и частоту следования импульсов килогерцового диапазона.

Принцип работы SOS-ключа основан на создании электронно-дырочной плазмы во время прямой накачки, когда p-n-переход включен в прямом направлении и под действием возникающего электрического поля дырки из p-области дрейфуют в базу диода, а электроны из n-области перемещаются в обратном направлении и постепенно заполняют р-область структуры. При прямой накачке основной вклад в общее сопротивление прерывателя вносит базовая область p+ –p–n–n+ -структуры, поскольку концентрация носителей в ней минимальна. На начальной стадии накачки нарастание плотности тока через диод происходит быстрее, чем падение сопротивления базы, что приводит к появлению положительного всплеска напряжения на SOS-ключе, а в базе возникает область сильного электрического поля. Затем сопротивление p+ –p–n–n+ -структуры становится меньше волнового сопротивления контура, вплоть до момента обрыва тока, и сопротивление через него определяется внешним контуром. К моменту завершения накачки подавляющая часть накопленного заряда сосредоточена в высоколегированных областях структуры: электроны в р-области, дырки в n+ -области. Минимум концентрации плазмы расположен в базе и имеет величину порядка 10¹⁶ см^-3.

После прохождения тока через ноль, во время обратного направления тока, плазма изменяет направление своего движения и начинает возвращаться к плоскости p-n-перехода. На этой стадии концентрация неравновесных носителей соответствует высокому уровню инжекции, и основная плазма движется медленнее чем ее фронт. В результате происходит обострение фронтов профиля плазмы сначала в p-области, а затем и n-области структуры.

После образования резких фронтов в пространственном распределении плазмы области p+ –p–n–n+ -структуры, расположенные за фронтами, оказываются практически полностью свободными от инжектированных носителей заряда. В этих областях перенос тока осуществляется только основными носителями, концентрация которых минимальна на внешней стороне фронтов плазмы. При приближении фронтов к точкам, где плотность тока, текущего через структуру, станет равна плотности тока насыщения основных носителей, абсолютная величина поля на фронтах плазмы резко увеличивается, скорость дрейфа носителей приближается к скорости насыщения, а их подвижность падает. Уменьшение подвижности носителей означает, что в области фронтов образуются участки структуры с высоким сопротивлением. Это приводит к снижению тока через прерыватель. Амплитуда напряженности поля за фронтом плазмы ограничивается процессами генерации электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации. При этом дополнительные носители обеспечивают прохождение тока через область с низкой концентрацией плазмы. В результате в полупроводниковой структуре возникает характерная область сильного поля с четко выраженными границами. Внешняя граница области, занятой полем, соответствует точке, где выполняется условие насыщение тока, и практически неподвижна, а внутренняя совпадет с положением фронта плазмы. Поскольку фронт плазмы продолжает перемещаться в сторону базы, размер области, в которой существует сильное поле, увеличивается, отрицательное поле на структуре растет, а на прерывателе формируется фронт импульса напряжения.



Рисунок 2 - SOS-ключ: а) распределение плазмы в конце прямой накачки; б) положение плазменных фронтов при максимуме напряжения при обрыве тока, в) распределение поля при обрыве тока.

4. Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый управляемы коммутатор, созданный на основе четырехслойной структуры типа p-n-p-n-перехода.



Рисунок 3 - Условное обозначение (а) и структура (б) тиристора

Схематически сильноточный тиристор показан на рисунке 4. Он представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из четырех слоев чередующегося типа проводимости, (p⁺-N-p-n-cструктура), образующих три расположенных друг над другом p-n-перехода. При приложении к клеммам АВ напряжения, указанной на рисунке 4 полярности переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении (эмиттеры), а переход 2 - в запорном (коллектор). Практически все внешнее напряжение приложено к ООЗ коллектора; большая часть этой области лежит в широком слаболегированном N-слое. Для включения прибора в цепи АС пропускается импульс тока управления. Протекание тока сопровождается инжекцией электронов из сильнолегированного n+ -слоя через барьер n+-р-перехода 1 в р-слой (р-базу); вследствие довольно большого сопротивления этого слоя в продольном направлении заметная инжекция происходит лишь в области δ₀ шириной 0,1-0,2 мм, прилегающей к границе n+ -слоя с управляющим электродом. Инжектируемые электроны, диффундируя через p-базу, доходят до ООЗ и выбрасываются полем в N-базу уже в качестве основных носителей, что вызывает соответствующее понижение барьера р+ -перехода 3 и инжекцию дырок в N-базу.



Рисунок 4 – Конструкция полупроводниковой структуры тиристора. 1, 3 – эмиттерные переходы; 2 – коллекторный переход; 4 – область объемного заряда; 5 – область первоначального включения (ОПВ)

Эти дырки, попадая в p-базу, вызывают инжекцию электронов и т.д. Когда потери носителей вследствие рекомбинации и ухода через барьеры р-n-переходов становятся меньше поступления, тиристор переходит во включенное состояние и включенная область заполняется электронно-дырочной плазмой (δ₀). Из этой области (называемой областью первоначального включения - ОПВ) включенное состояние сравнительно медленно (V=0,1÷0,01 мм/мкс) распространяется по всей площади прибора.

Если внешняя цепь не ограничивает достаточно сильно скорость нарастания тока, то в области δ₀ происходит разрушение прибора вследствие большой плотности тепловыделения. Естественным путем увеличения коммутируемой тиристором мощности и допустимой скорости ее коммутации является увеличение площади ОПВ. Исследования показали, что ее ширина δ₀ не может быть существенно увеличена и единственным путем для увеличения площади является увеличение длины L границы эмиттерного n+ -слоя с управляющим электродом. При этом оказалось, что для однородного включения вдоль этой границы линейная плотность тока управления должна быть довольно высокой - более 3 А/см.

5. Реверсивно включаемый динистор

При работе на более коротких импульсах значительная часть площади р-n-р-n-структуры просто не успевает включаться, и эффективность прибора снижается. Естественным кажется дальнейшее увеличение длины границы L и уменьшение линейного размера эмиттерных участков, но при этом возрастают потери рабочей площади, занятой под электрод управления; проблематичной становится возможность однородного включения вдоль всей границы, и существенно усложняется технология изготовления.

Радикальным решением вопроса является одновременное и однородное включение всей рабочей площади прибора, что требует однородного и одновременного введения в базовые слои избыточных носителей, инициирующих процесс включения. Концентрация вводимых носителей должна значительно превышать минимально необходимую для инициации процесса, поскольку при этом резко уменьшается возможность шнурования тока из-за неоднородности свойств прибора по площади. Этот принцип инициации включения достаточно просто реализуется в новом полупроводниковом приборе - реверсивно включаемом динисторе (РВД)

Прибор представляет собой силовую интегральную схему, состоящую из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и транзисторных секций с характерным размером около 100 мкм. Секции имеют общий высоковольтный р+-n-переход, являющийся коллектором тиристорных секций и блокирующий внешнее напряжение. Для включения РВД, находящегося под напряжением прямого смещения (относительно тиристорных секций), к нему на короткое время прикладывается импульс напряжения с полярностью, противоположной блокируемому. При этом низковольтный n+ -р-переход пробивается, и через транзисторные секции протекает импульс тока накопления I­_ас т.е. идет инжекция электронно-дырочной плазмы в базовые области транзисторных и расположенных рядом тиристорных секций.



Рисунок 5 - Конструкция РВД: 1 - тиристорные секции; 2- транзисторные секции

Форма распределения концентрации избыточных носителей показана в правой части рисунка 5. Суммарное количество введенного заряда регулируется амплитудой и длительностью импульса тока накопления. После окончания импульса начинается нарастание тока в главной цепи; этот ток равномерно распределен по всей площади, так как плотность инициирующего заряда в любой точке прибора значительно выше критической.

Типичная осциллограмма процесса включения РВД площадью 4 см2 , рассчитанного на рабочее напряжение 2 кВ, приведена на рисунке 6. Видно, что сравнительно небольшой ток накопления I­_ас (около 500 А) длительностью 0,5 мкс обеспечивает переключение тока I_­m 30 кА с dI/dt = 8 кА/мкс и длительностью 50 мкс, причем, как видно из осциллограммы напряжений, всплеск напряжения U на приборе невелик, а установление стационарного состояния осуществляется очень быстро - примерно за 3 мкс, что свидетельствует об «одномерности» процесса; у обычного тиристора этот процесс занял бы 80-100 мкс. Таким образом, коммутационные потери при включении РВД, во-первых, равномерно распределены по всей площади и, во-вторых, малы по величине; это обусловливает уникальные коммутационные характеристики прибора.



Рисунок 6 - Осциллограммы тока I_ас и I_m (вверху) и напряжения U (внизу) при включении РВД

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, установлено, что использование современных полупроводниковых коммутаторов, таких как SOS-диод и реверсивно-включаемого динистора, позволяет решить проблему быстрого обрыва большого импульсного тока. Новые технологические решения позволили коммутировать большие токи, а также решили вопрос с коммутацией в частотном режиме, что позволяет создавать принципиально новую мощную импульсную технику.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника.  Томск: Изд-во ТПУ, 2011.  136с.

[2] Грехов И. В., Месяц Г. А. Полупроводниковые наносекундные диоды для размыкания больших токов.

[3] Долгачев Г.И, Закатов Л.П, Нитишинский М.С и др. Сверхмощные частотные генераторы с плазменным прерывателем тока. ПТЭ.- 1999.- № 2.- С.3-26.

[4] Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ.- 1999. - № 4.- C 5-36.