Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

410

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

Рис.

21.5.

Схема ДЦРВ-генератора наносекундных импульсов с нагрузкой

В этой схеме плотность тока у ограничивается в основном волновым сопро-

тивлением 2

коаксиального кабеля, поэтому параметры прибора и режим вклю-

чения должны удовлетворять соотношению: у = = = ^7

5, где - ам-

плитуда напряжения обостряемого импульса. Амплитуда тока накачки у

выбира-

ется с таким расчетом, чтобы на этапе восстановления весь заряд выносился к

моменту / = /ф, т.е. у

= Л*ф/2/

. Например, для ДДРВ с Л^ =Ы0

см

= 1,6 кВ у

= 1,6-10

А/см

; при работе в тракте с 2

= 50 Ом рабочая площадь

5 = 0,2 см

и амплитуда тока в импульсе будет 32 А. Для получения фронта нарас-

тания в единицы наносекунд длительность накачки /

должна быть менее 0,5 мкс.

Если фронт обостряемого импульса = 0,1 мкс, а /

= 0,4 мкс, то у

= 20 А/см

и необходимая амплитуда тока накачки равна 4 А.

На рис. 6 приведена схема генератора наносекундных импульсов с промежу-

точным индуктивным накопителем энергии. Цепь, состоящая из транзисторного

ключа К

, высоковольтного трансформатора Тр

и разделительного диода Д

заряжает накопительную емкость С

за время 100 мкс до напряжения 1,5 кВ от

источника питания на 100 В. В момент / = 0 формируется импульс накачки

ДДРВ у

с длительностью 0,5 мкс и амплитудой 3 А (цепь накачки - дрос-

сель Ь

р9

трансформатор Тр

, транзисторный ключ К

). В некоторый момент ^

+100 В

Рис. 21.6.

Схема генератора наносекундных импульсов с ДДРВ и индуктивным накопителем

энергии

21.3

Импульсные

устройства

приборами

на основе ДДРВ 411

включается тиристор Т и разряжает емкость С

по цепи Т

, накопитель

ДДРВ. Энергия, накопленная в С

, переводится в Ь

. В другой момент /

, опре-

деляемый равенством накачанного и выведенного заряда в ДДРВ, происходит об-

рыв тока в ДДРВ, а накопленная в Ь

энергия поступает в виде короткого импуль-

са длительностью /

= в согласованную линию передачи с волновым сопро-

тивлением 2

= К

и затем в нагрузку К

. Амплитуда волны в линии передачи

С/

= /

2о, где /

- ток через Ь

в момент разрыва (в рассматриваемом генераторе при

= 30 А и 2

= 50 Ом V = 1,5 кВ). Стабильность работы генератора чрезвычайно

высокая (при нестабильности источника питания менее 5% нестабильность импуль-

са менее 100 пс).

На рис. 7 приведена схема двухтактного генератора с индуктивными накопите-

лями, позволяющая полностью суммировать в нагрузке энергию, запасенную как в

цепи обратного тока, так и в цепи накачки; такая схема удобна для создания гене-

раторов большой мощности. Схема работает следующим образом. При замыкании

ключа К

контура С

в течение первого полупериода колебаний через ДДРВ

проходит ток накачки 1

. В момент смены направления тока 1

замыканием клю-

ча К

включается контур обратного тока 1-2С

, полностью идентичный С\Ь

Ток /

этого контура суммируется с 1

в ДДРВ. В момент максимума суммарного

тока (/ = 772) выведенный заряд равен введенному (с точностью до потерь в клю-

чах и Д ДРВ), ток через Д ДРВ обрывается, и суммарный ток контуров (1

+ /

) пе-

ребрасывается на нагрузку. При этом формируемый в нагрузке импульс напряже-

ния может значительно (в 10 и более раз) превышать начальное напряжение заряда

емкостей С

и С

. Время срабатывания ключей К

и К

должно быть много

меньше полупериода колебаний контуров. На основе этой схемы был выполнен

генератор, формирующий на нагрузке 10 Ом импульс напряжения амплитудой 4 кВ

и полушириной 5 не, т.е. с мощностью в импульсе -1,6 МВт. Рабочая частота оп-

ределялась вспомогательными элементами, а полный кпд был более 40%.

Рекордные для ДДРВ параметры получены в работе [12], в которой с помощью

последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ,

током 800 А и частотой следования импульсов 1 кГц. В [13] описан генератор с

Рис.

21.7.

Двухтактный мощный ДЦРВ-генератор наносекундных импульсов (а) и осцилло-

граммы тока через ДДРВ и напряжения на нагрузке (б)

412

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

полупроводниковым прерывателем тока, принцип работы которого основан на ин-

версном механизме восстановления диода. Работа диода также основана на прин-

ципе удаления избыточной плазмы из базы на стадии высокой обратной проводи-

мости. На основе такого диода разработан генератор с напряжением 30 кВ, током

600 А и частотой следования импульсов 1 кГц.

§ 21.4 Разработка 808-диодов

Итак, импульсные генераторы на основе ДДРВ позволяют получать напряже-

ния в десятки киловольт и токи до 10

А. Для получения импульсов с более высо-

кими параметрами используются 808-диоды [5]. 808-эффект был обнаружен

группой Рукина в ИЭФ в обычных высоковольтных полупроводниковых диодах,

предназначенных для выпрямления переменного тока, подбором определенного

сочетания плотности тока и времени накачки [5]. Однако, существуют разнообраз-

ные классы выпрямительных диодов, которые отличаются друг от друга своими

частотными свойствами и характером восстановления напряжения при переключе-

нии с прямого направления на обратное. По характеристикам переключения разли-

чают диоды с обычным или «жестким» режимом восстановления и более совре-

менные и совершенные диоды с «мягким» режимом восстановления.

В конструктивно-технологическом плане жесткие и мягкие диоды отличаются

друг от друга исходным профилем легирующих примесей в структуре, глубиной

залегания р-л-перехода х

, длиной базы и удельным сопротивлением исходного п-

кремния, образующего базу. На рис. 8 приведена типичная диодная р

-р-п-п

структура. Обычный (жесткий) диод имеет р-область, образованную диффузией

алюминия на глубину х

~ 100 мкм. Для изготовления мягкого диода используется

один из следующих технологических приемов (или их совокупность): уменьшение

величины х

с одновременным увеличением резкости р-и-перехода созданием

\ Ю

* Ю

Хр ~

80—120

[мкм]

Хр ~ 160-200

Рис.

'21.8.

Типичная /?

-/?-и-и

-структура выпрямительного диода: 1 - эпитаксия (мягкий

диод); 2 - обычная диффузия (жесткий диод типа СДЛ); 3 - глубокая диффузия (сверхжест-

кий 808 -диод)

§21.4

Разработка 808-диодов

413

эпитаксиальной /?

-области с резким градиентом концентрации акцепторов вблизи

/?-и-перехода [14, 15], увеличение длины базы и проводимости исходного кремния

[16, 17]. Перечисленные приемы приводят к тому, что при смене направления тока

с прямого на обратное происходит, с одной стороны, очень быстрое освобождение

/?-и-перехода от избыточной плазмы, препятствующее дальнейшему росту обрат-

ного тока, а с другой стороны, большое количество оставшейся в диоде плазмы

затягивает процесс спада обратного тока, обеспечивая мягкий режим восстановле-

ния напряжения.

Для исследования влияния параметров структуры на процесс обрыва тока в

режиме 808-эффекта были разработаны опытные прерыватели тока, отличающие-

ся друг от друга исходным сопротивлением кремния, длиной базы, площадью

структуры и глубиной залегания /?-и-перехода. Прерыватели тока содержали по

двадцать последовательно соединенных диодов, стянутых между собой диэлектри-

ческими шпильками. Каждый диод представлял собой медный охладитель, на ко-

торый напаяно по четыре последовательных структуры.

Положительный эффект по увеличению жесткости прерывателя тока был дос-

тигнут при увеличении глубины залегания /?-и-перехода х

от 100 до 200 мкм.

Экспериментальная зависимость коэффициента перенапряжения на прерывателе

тока в режиме холостого хода от величины х

приведена на рис. 9. При х

более

160 мкм перенапряжение достигает шестикратного значения [18]. По существую-

щей классификации такие диоды могут быть названы диодами со «сверхжестким»

восстановлением.

На рис. 8 приведена структура 808-диода для ее сравнения со структурами

мягких и жестких диодов, а на рис. 9 по параметру х

выделены области диодов,

соответствующие разным характеристикам восстановления. В таблице 1 приведе-

ны характеристики диода СДЛ-0,4-800 и опытного 808-диода с близкой площадью

структуры.

Таблица 21.1.

Сравнительные характеристики диодов

Параметр

СДЛ-0,4-800

808-диод

Напряжение

100

кВ

100

кВ

Площадь структуры 0,2 см

0,25 см

Обратный ток

0,4 кА

2 кА

Время обрыва тока

12-25 не 4-8 не

Отводимая мощность

Вт

Максимальное перенапряжение 3

Длина

140

мм

Масса

~0,1 кг

-0,05 кг

808-диод способен пропускать на стадии накачки и затем обрывать ток боль-

шей величины, поскольку он имеет более короткую базу (при увеличении х

тол-

щина пластинки кремния не менялась и составляла 310-320 мкм). Меньшие вре-

мена обрыва тока позволяют иметь больший коэффициент перенапряжения при

большей эффективности переключения энергии, а конструкция 808-диода с разви-

той поверхностью охладителей позволяет увеличить рассеиваемую мощность.

414

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

80 120 160 200

Хр [мкм]

Рис. 21.9. Зависимость коэффициента перенапряжения к

от глубины диффузии алюми-

ния х

: 1

- мягкий диод; 2 - жесткий диод; 3 - сверхжесткий 808-диод

При последовательном соединении полупроводниковых приборов очень важным

с практической точки зрения является вопрос обеспечения равномерного распреде-

ления напряжения по структурам, что необходимо для надежной и безаварийной

работы импульсного устройства. Для этой цели используются либо резистивные

делители напряжения, компенсирующие технологический разброс характеристик

структур, возникающий при их изготовлении, либо структуры перед сборкой пред-

варительно отбираются по вольтфарадным и вольтамперным характеристикам.

Очень важная особенность 808-эффекта состоит в том, что на стадии обрьюа тока

он характеризуется равномерным автоматическим распределением напряжения по

большому числу последовательно соединенных диодов (структур). Это дает возмож-

ность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путем по-

следовательного соединения диодов без использования внешних делителей напря-

жения. Так, каждая ветвь прерывателя тока на установке «Сибирь» [19] содержала

1056 последовательно соединенных структур (8 диодов по 132 структуры в каждом)

и работала при напряжении до 1,1 МВ. Это свойство 808-эффекта наряду с высокой

плотностью обрываемого тока и позволило перейти в гигаваттный диапазон им-

пульсной мощности при генерировании наносекундных импульсов полупроводнико-

выми приборами.

Были выполнены исследования процесса распределения напряжения по после-

довательным структурам прерывателя тока, работающего в режиме 808-эффек-

та [22]. Исследуемый диод содержал десять последовательно соединенных структур.

Для моделирования технологического разброса параметров величина х

в структу-

рах была выбрана различной и лежала

диапазоне от 170 до 188 мкм с шагом 2 мкм.

На стадии обрьюа тока (рис. 10) в /^-области структуры возникает характерная об-

ласть сильного поля (ОСП) с четко выраженными границами, имеющая ширину

м>

расширяющаяся со скоростью у-У

- у

, где у

и у

- скорости движения правой

и левой границ ОСП соответственно. Правая граница этой области совпадает с по-

ложением фронта избыточной плазмы, а левая соответствует точке, где выполняется

условие насыщения тока. Пробивное поле в области имеет величину около 200 кВ/см

§21.4

Разработка 808-диодов

415

2-Ю

МО

I -100

-200

О 100 200 300

х [мкм]

Рис. 21.10.

Распределение концентрации избыточной плазмы и электрического поля в струк-

туре с х

= 180 мкм на стадии обрыва тока плотностью 4,6 кА/см

(вертикальной стрелкой

обозначена позиция р-л-перехода)

и слабо меняется на стадии обрыва тока. При этом напряжение на структуре опре-

деляется главным образом шириной области В начале процесса обрыва тока за

счет большей скорости у

движения правой границы поля происходит расширение

области и рост напряжения на структуре. Затем скорости движения границ падают,

причем скорость левой границы и

начинает превышать скорость правой, что при-

водит к сужению ОСП и спаду напряжения на структуре [8].

Было установлено, что в структурах с меньшей величиной х

формирование

ОСП начинается раньше, чем в структурах с большей величиной х

. Наибольшая

разница во времени наблюдается для структур с наиболее отличающимися х

(170

и 188 мкм) и составляет 2,5 не (рис. 11). Для этих же структур наблюдается и мак-

симальное различие в величине

и>,

а следовательно, и в напряжении на структурах.

Механизм более раннего срабатывания структур с меньшей величиной х

состоит

в следующем. На стадии прямой накачки, когда происходит накопление заряда в р-

области структуры, концентрация избыточной плазмы в структурах с меньшими

значениями х

оказывается выше, поскольку один и тот же накопленный заряд

распределяется по меньшей толщине

р-слоя.

Соответственно в структурах с мень-

шей величиной х

интенсивность процессов рекомбинации оказывается выше, а

количество накопленного заряда, который затем может быть выведен из струк-

туры обратным током, уменьшается. На стадии обратной накачки при одном и

том же законе изменения плотности тока во времени (последовательное соедине-

ние структур) меньшая величина накопленного заряда в структурах с меньшими

\Р~п

1 . 1

1 1

416

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

Рис.

21.11.

Зависимости ширины области сильного поля 2), скорости ее изменения

(,3, 4),

разности Лм> (5) и отклонения 6 (б) от времени на стадии обрыва тока для структур с

= 170 мкм (кривые

3) и 188 мкм (кривые

значениями х

приводит к тому, что условие насыщения скоростей носителей в р-

области структуры и начало формирования ОСП наступают раньше, чем в струк-

турах с большей величиной х

К моменту начала образования ОСП в структуре с х

= 188 мкм (кривая 2,

рис. 11) ширина ОСП в структуре с х

= 170 мкм (кривая 7, рис. 11) достигает

11,5 мкм. В этот момент времени неоднородность распределения напряжения по

структурам максимальна, а наибольшее отклонение напряжения 8 от среднего

значения наблюдается для структуры с х

= 170 мкм и достигает 56% при оценке

8 из выражения 8 =

| 11

-С/

ср

|-100%/17

р, где 1/

ср

- среднеарифметическая вели-

чина напряжения, приходящегося на одну структуру (кривая б, рис. 11).

В [8] было показано, что в структурах с большей величиной х

реализуются и

более высокие скорости расширения ОСП благодаря более низкой концентрации

избыточной плазмы в ^-области структуры. Как видно из рис. 11 (кривые 3 и 4),

скорость V расширения ОСП в структуре с х

= 188 мкм всегда превышает ско-

рость расширения ОСП в структуре с х

= 170 мкм. Данное обстоятельство приво-

дит к тому, что в процессе обрыва тока снижаются как разница

Ди>

по ширине ОСП

в структурах, так и отклонение напряжения 8 от среднего значения. К моменту

достижения максимального напряжения на структурах (максимальное значение и>)

разность по ширине ОСП не превышает 5 мкм (кривая 5, рис. 11), а величина 8

снижается до 4% (кривая б, рис. 11).

§21.4

Разработка 808-диодов

417

Таким образом, исследование показало, что на стадии обрыва тока и роста на-

пряжения на последовательно соединенных структурах в режиме 808-эффекта

существует механизм выравнивания распределения напряжения по структурам,

глубина залегания р-л-перехода в которых различна. Механизм обусловлен тем,

что в структурах с большей величиной х

образование области сильного поля на

стадии обрыва тока начинается позже, но расширение этой области происходит с

большей скоростью, чем в структурах с меньшей величиной х

Исследования влияния профиля легирования структуры на процесс обрыва то-

ка при 808-эффекте как при длинных, так и при коротких временах накачки, яви-

лись основой для создания нового класса полупроводниковых приборов - 808-

диодов, конструктивная отличительная особенность которых состоит в большой

глубине диффузии алюминия в структуру [18]. Для приборов наносекундного диа-

пазона величина х

составляет 160-180 мкм, а для приборов с короткой накачкой и

субнаносекундным временем обрыва тока достигает 200-220 мкм.

Типичная конструкция 808-диода приведена на рис. 12. Прерыватель пред-

ставляет собой последовательную сборку элементарных диодов, стянутых между

собой диэлектрическими шпильками между двумя выходными пластинами - элек-

тродами. Каждый элементарный диод состоит из охладителя, на который напаяно

по четыре последовательные структуры. На боковую поверхность структур нано-

сится защитное покрытие, стойкое к трансформаторному маслу. Перед сборкой

диодов контактные поверхности выравниваются и шлифуются. Сборка имеет ком-

пенсатор теплового расширения в виде двух коаксиальных металлических втулок,

между которыми размещена резиновая прокладка. На одном из электродов сборки

расположен винт для регулировки прижимного усилия при стяжке диодов. Соб-

ранные 808-диоды проходят испытания на специально разработанных стендах.

Эксперимент показал, что обрываемый ток через 808-диод с площадью 1 см

со-

ставляет 5,5 кА, время обрыва тока по уровню 0,1-0,9 от амплитуды - 4,5 не. Ско-

рость коммутации - 1200 кА/мкс, что примерно на три порядка превышает ско-

рость нарастания тока в обычных быстродействующих тиристорах класса ТБ.

Рис. 21.12. Типичная конструкция 808-диода в виде последовательной сборки структур с

охладителями:

- изоляционный стержень, 2 -

катодная

пластина,

винт для затяжки

струк-

тур,

охладители

с напаянными полупроводниковыми структурами,

анодная

пластина

27. Месяц Г.А.

418

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

В таблице 2 приведены характеристики разработанных 808-диодов. Самый

мощный прибор при площади структуры 4 см

имеет рабочее напряжение 200 кВ и

обрывает ток величиной 32 кА, что соответствует разрывной мощности 6 ГВт. Соз-

дан прибор для высокой частоты следования импульсов в постоянном режиме. При-

бор имеет более развитую систему охладителей и при обрьюаемом токе 1-2 кА и

напряжении 100-120 кВ работает с частотой следования импульсов 2 кГц. Сущест-

вуют также приборы, которые используют эффект субнаносекундного обрыва тока и

разработаны для формирования импульсов длительностью несколько наносекунд.

При коротком времени накачки они обрывают ток величиной до 2 кА за 500-800 пс.

Таблица 21.2.

Параметры 808-диодов, разработанных в ИЭФ

Параметр

Значение

Рабочее напряжение

Количество последовательных структур

Площадь структуры

Плотность прямого тока

Плотность обрываемого тока

Время прямой накачки

Время обратной накачки

Время обрыва тока

Рассеиваемая мощность в трансформаторном масле

(постоянный режим)

Длина/масса

60-400 кВ

80-320

0,25-4 см

0,4-2 кА/см

2-10 кА/см

40-600 не

15-150 не

0,5-10 не

50-500 Вт

50-220 мм / 0,05-0,6 кг

Исследования и эксплуатация разработанных 808-диодов в составе различных

импульсных генераторов показали их чрезвычайно высокую надежность и способ-

ность выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению. Стендовые

испытания, проводимые с целью намеренного вывода приборов из строя, показали,

что увеличение плотности тока и скорости его ввода на порядок (с 5 до 50 кА/см

)

приводит к увеличению потерь энергии на стадии накачки и снижению эффектив-

ности работы прерывателя тока. При этом структуры работают как активное со-

противление, ограничивающее ток накачки, поскольку при таких плотностях тока

процесс модуляции базы сопровождается возникновением больших прямых на-

пряжений. Попытки вывести 808-диод из строя высоким рабочим напряжением

(прибор с рабочим напряжением 120 кВ устанавливался в генератор с выходным

напряжением 450 кВ) показали, что при обрыве тока 808-диод работает как огра-

ничитель напряжения (амплитуда импульса не превышала 150 кВ), потребляя при

этом энергию из конденсатора накачки. Модельные расчеты для такого режима

работы установили резкое увеличение интенсивности процессов лавинного раз-

множения носителей в области с электрическим полем и соответствующее сниже-

ние сопротивления структуры на стадии обрыва тока. Очевидно, что такие пере-

грузочные способности 808-диодов обусловлены спецификой плазмонаполненно-

го режима работы полупроводниковой структуры при 808-эффекте.

При исследованиях также была выявлена другая особенность 808-дио-

дов, заключающаяся в улучшении характеристик отключения тока при нагреве

§21.5

Мощные наносекундные

импульсные

устройства на основе 808-диодов

419

полупроводниковой структуры. В отличие от традиционных силовых приборов

(диодов и тиристоров), у которых при обратном напряжении структура свободна

от избыточной плазмы и увеличение температуры приводит к пробою структуры

за счет возрастания обратного тока и его локализации на неоднородностях, база

808-диода остается заполненной избыточной плазмой в момент обрыва тока и

генерации импульса обратного напряжения. В экспериментах по перегреву 808-

диода было установлено, что при увеличении температуры структур в процессе

работы вплоть до момента расплавления высокотемпературного припоя происхо-

дит увеличение количества выведенного заряда на стадии обратной накачки в

пределах 10-15%. Возрастание выводимого заряда увеличивает амплитуду тока

перед обрывом и снижает время его обрыва. Этот эффект связан с увеличением

времени жизни неосновных носителей с ростом температуры и соответствую-

щим снижением потерь заряда за счет рекомбинации.

Рабочие параметры 808-диода по плотности тока, амплитуде напряжения и

частоте следования импульсов должны быть согласованы с требуемой величиной

эффективности переключения энергии в нагрузку и температурным режимом ра-

боты прибора. Основные потери энергии (~ 80-90%) в 808-диоде происходят на

стадии отключения тока, в связи с чем при одном и том же режиме накачки изме-

нение параметров нагрузки приводит к изменению характеристики обрыва тока,

амплитуды напряжения на прерывателе и количества энергии, выделяемой в нем.

Это обстоятельство затрудняет определение допустимой частоты следования им-

пульсов. В силу этих причин в таблице приведены рекомендуемые параметры по

плотности тока и длительности импульсов накачки, а вместо частоты следования

импульсов указана допустимая мощность потерь, соответствующая перепаду тем-

ператур между охладителем и окружающим трансформаторным маслом в диапазо-

не 50-80°С (0,25-0,4 Вт/см

). Характерный диапазон частот следования импульсов

в постоянном режиме по условиям теплоотвода составляет 200-2000 Гц. В режиме

пачки импульсов, когда прибор работает в тепловом режиме, близком к адиабати-

ческому, частота следования импульсов, как правило, уже ограничена частотными

возможностями питающего генератора, поскольку собственная предельная частота

следования импульсов 808-диода, определяемая длительностью процесса накачки,

превышает

МГц.

При установке 808-диодов в генератор допускается их параллельно-последо-

вательное соединение для получения требуемых параметров прерывателя тока.

При этом сборка выполняется в виде отдельных параллельных ветвей из последо-

вательно соединенных приборов.

§ 21.5 Мощные наносекундные импульсные устройства

на основе 808-диодов

Способ усиления мощности емкостных генераторов с помощью промежуточно-

го индуктивного накопителя и прерывателя тока известен давно. Способ основан

на том, что индуктивность разрядного контура, представляющая собой пассивный

элемент емкостного генератора и препятствующая быстрому выводу энергии из

конденсаторов в нагрузку, при использовании прерывателя тока становится актив-

ным элементом и работает как индуктивный накопитель. При этом достигается

27*