Діоди (стр. 6 из 7)
Розрахунок й експерименти показали, що максимальнанапруга на р+рпп+-структурі в процесі обриву струмузвичайно становить 750-850 В і для генерації високовольтних імпульсів необхідно з'єднувати послідовно велику кількість діодів. Спеціально проведені дослідження дозволили встановити, що можливий технологічний розброс у ширині р-області не приводить до істотної різниці в напругах на діодах, оскільки, хоча в структурах з більшою глибиною рп-перехода процес формування ООЗ починається пізніше, розширення цієї області відбувається швидше, ніж при меншій глибині переходу, і на завершальній стадії процесу різниця в напругах невелика (~ 4 %). Тому SOS-діоди можуть з'єднуватися послідовно без яких-небудь зовнішніх дільників напруги. Типова конструкція зборкиSOS-діодів показана на рис. 3.5, а в таблицінаведені основні характеристики зборок, які випускаються на даний час промисловістю. Переривач являє собою послідовну збірку елементарних діодів, стягнутих між собою діелектричними стяжками між двома вихідними пластинами – електродами. Кожен елементарний діод складається з охолоджувача, на який напаяно кілька послідовних напівпровідникових структур.
Типова осцилограма зворотного струму через SOS-діод із площею структури 1 см2. Величина розривного струму складає 5,5 кА, час обриву струму за рівнем 0,1 – 0,9 від амплітуди – 4,5 нс. Швидкість комутації - 1200 кА/мкс, що приблизно на 3 порядки перевищує швидкість наростання струму у звичайних швидкодіючих тиристорах.
Самий потужний прилад при площі структури 4 см2 має робочу напругу 200 кВ й обриває струм величиною 32 кА, що відповідає розривній потужності 6 ГВт. Показаний прилад, розроблений для високої частоти проходження імпульсів у постійному режимі. Прилад має більш розвинену систему охолоджувачів, він створений для розриву струмів величиною 1-2 кА при напрузі 100-120 кВ із частотою проходження імпульсів 2 кГц. Прилад на поз. 5 розроблений для формування імпульсів тривалістю декілька наносекунд. При короткому часі накачування він обриває струм величиною 1 кА за 500 пс.
Таблиця 3.1. Параметри SOS-діодів
| Параметр | Значення |
| Робоча напруга | 60 - 250 кВ |
| Кількість послідовних структур | 80 - 320 |
| Площа структури | 0,25 - 4 см2 |
| Густина прямого струму | 0,4 - 2 кА/ см2 |
| Густина розривного струму | 2 - 10 кА/ см2 |
| Час прямої накачки | 300 - 600 нс |
| Час зворотної накачки | 40 - 150 нс |
| Час обриву струму | 1 - 10 нс |
| Розсіювана потужність | 50 - 500 Вт |
| Довжина | 80 - 220 мм |
| Маса | 0,1 - 0,6 кг |
Дослідження й експлуатація розробленихSOS-діодів у складі різних імпульсних генераторів показали їх надзвичайно високу надійність і здатність витримувати багаторазові перевантаження по струму й напрузі; при цьому частота проходження імпульсів може бути доведена до 104 Гц. Були проведені спеціальні стендові випробування з метою навмисного виводуприладів з ладу. Виявилося, що збільшення густини струму й швидкості його введення на порядок (з 5 до 50 кА/см2) приводить лише до збільшення втрат енергії на стадії накачування й зниження ефективності роботи переривачаструму, не виводячи їх з ладу. При цьому структури працюють як активний опір, що обмежує струм накачки, оскільки при таких густинах струму процес модуляції бази супроводжується виникненням більших прямих напруг. Спроби вивести SOS-діод з ладу за допомогою високої робочої напруги (приладз робочою напругою 120 кВ встановлювався в генератор з вихідною напругою 450 кВ) показали, що при обриві струмуSOS-діод працює як обмежувач напруги (амплітуда імпульсу не перевищувала 150 кВ), споживаючи при цьому енергію з конденсатора накачування. Модельні розрахунки для такого режиму роботи встановили різке збільшення інтенсивності процесів лавинного розмноження носіїв в областіз електричним полем і відповідне зниження опору структури на стадії обриву струму.
На основі SOS-діодів розроблено велику кількість потужних генераторів імпульсів для різних областей сучасної техніки.До появи SOS-діодів такий рівень параметрів у напівпровідниковійнаносекундній імпульсній техніці уявлявся неможливим. Можливості використання SOS-діодів у генераторах потужнихнаносекундних імпульсів істотно поліпшуються при використанні магнітних ключів і магнітних компресорів.
3.3. Розмикачі струму на основі карбіду кремнію.
Всіописані вище потужні розмикачі виконані на основі базового матеріалу всієї напівпровідникової електроніки - монокристалічного кремнію. Однак в останні 5-6 років з'явилася реальна можливість створення силової напівпровідникової електроніки й, зокрема, потужної імпульсної техніки на основі монокристалічного карбіду кремнію (SiС).
Ширина забороненої зони, наприклад, уполітипу4Н-SiС дорівнює 3,24 еВ, тобто значно більше, ніж вSi (1,12 еВ), і тому гранична робоча температура, щообмежується швидкістю теплової генерації носіїв, уSiС-приладів приблизно втроє вища, ніж укремнієвих (~ 600 °С замість 200°С). Критичне поле лавинного пробою в SiС на порядок перевищує значення для Si; швидкість насичення електронів приблизно вдвічі, а теплопровідність приблизно втроє вище, ніж у кремнія. Такий комплекс переваг дозволяє, у принципі, різко підняти швидкодію, потужність і надійність всіх приладів силової електроніки. Роботи в цьому напрямку ведуться у багатьох лабораторія світу і до теперішнього часу експериментально доведена можливість створення SiС-аналогів усіх без винятку кремнієвих приладів силової електроніки.
Можливість створення SiС-аналога кремнієвогоДДРВ була вперше продемонстрована в [4,11]. р+піп+- і р+роп+-структури 4Н-SiС були вирощені осадженням з газової фази на п+-підкладках при температурі 1500° С. Базова областьп-типа товщиною 40 мкм мала концентрацію легуючої домішки (азоту) п0= (3-5)·1014 см-3, а 12-мікронна областьр-типу мала концентрацію алюмінію 8·1014 см-3, діаметр діодів був рівним 0,6 мм. Осцилограми процесу відновлення при постійному прямому струмі 0,4 А .
У р+роп+-структурі спостерігається різкийсубнаносекундний обрив зворотного струму, що наростає за 10 нс до амплітуди 0,8 А, а в п+пор+-структурі процес обриву триває ~ 12 нс. Ці результати були, загалом кажучи, передбачувані, оскільки в епіиаксіальних структурах з різкимиблокуючими р+по- і р+по-переходами й дуже великою різницею в рухливостях електронів і дірок (
в 4Н-SiС) швидкий обрив зворотного струму можливий тільки в тому випадку, коли через блокуючий перехід протікає електроний струм. Чисельний розрахунок процесу відновленняпоказав, що в р+п0п+-структурі з різкими переходами заднійплазмовий фронт утвориться (як й у кремнієвих ДДРВ) поблизу р+ро-переходу й приходить до блокуючого п+ро-переходураніше, ніж там спадає до нуля концентрація плазми. Після приходу фронту в приладі більше не залишається плазми, і зворотний струмпротікає тільки за рахунок відходу основних носіїв від п+ро-перехода, що приводить до швидкого утворенняООЗ й обривуструму.Прості оцінки показують, що характеристики розриваючогоключа на основі SiС можуть бути дуже високими. Наприклад, одиночний р+роп+-діод з напругою пробою 10 кВ (товщина бази Wр0<< 100 мкм, концентрація донорів Nd= 7· 1014 см-3) буде мати граничний час обриву струму близько 1 нс й густину зворотного струму
А/см2.SOS-розмикачі, у принципі, теж можуть бути виконані на основі SiС. Для цього необхідно при вирощуванні р+рпоп+- або п+прор+-структур забезпечити необхідний градієнт концентрації легуючої домішки в р- або п-шарі шляхом програмної зміни вмісту легуючої домішки в газовому потоці при вирощуванні цих шарів. Такий процес досить складний, і робіт зі створення SiС -аналоговкремнієвого SOS-діода поки ще не проводилося.
Розділ 4. Промислові генератори імпульсів на основі ДДРВ й SOS-діодів.
Для проведення досліджень сучасна експериментальна фізика потребує потужних джерел живлення лазерів та прискорювачів заряджених частинок, рентгенівських апаратів та генераторів надвисокочастотних імпульсів. Стандартним способом формування таких імпульсів є попереднє, порівняно повільне, нагромадження енергії в спеціальному пристрої, а потім швидка його комутація на навантаження. Найчастіше в таких завданнях використаються ємнісні накопичувачі. Однак можуть застосовуватися й інші типи накопичувачів, зокрема, індуктивні накопичувачі, які мають незаперечні переваги перед ємнісними накопичувачами.
Істотним стримуючим фактором на шляху використання індуктивних накопичувачів, до останнього часу, була відсутність ключів, які могли б розривати великі струми і відразу після цього витримувати без пробою високі зворотні напруги. У пристроях, що формують імпульси з енергією до одиниць мегаджоулів і більше, як переривачі і дотепер ще використаються провідники, які у певний момент часу згоряють. Однак такі комутатори мають досить обмежену область застосування й практично не використовуються широко.