Розрахунок й експерименти показали, що максимальна напруга на р⁺рпп⁺-структурі в процесі обриву струму звичайно 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 зборки SOS-діодів показана на рис. 3.5, а в таблиці наведені 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

Дослідження й експлуатація розроблених SOS-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 виводу приладів 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 переривача струму, 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 (прилад з робочою напругою 120 кВ встановлювався в генератор з вихідною напругою 450 кВ) показали, що при обриві струму SOS-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 області з 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 напівпровідниковій наносекундній імпульсній техніці уявлявся неможливим. Можливості використання SOS-діодів у генераторах потужних наносекундних імпульсів істотно поліпшуються при використанні магнітних ключів і магнітних компресорів.

3.3. Розмикачі струму на основі карбіду кремнію.

Всі описані 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, у політипу 4Н-SiС дорівнює 3,24 еВ, тобто значно більше, ніж в Si (1,12 еВ), і тому гранична робоча температура, що обмежується швидкістю теплової генерації носіїв, у SiС-приладів приблизно втроє вища, ніж у кремнієвих (~ 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 кремнієвого ДДРВ була вперше продемонстрована в [4,11]. р⁺піп⁺- і р⁺р_оп⁺-структури 4Н- SiС були вирощені осадженням з газової фази на п⁺-підкладках при температурі 1500° С. Базова область п-типа товщиною 40 мкм мала концентрацію легуючої домішки (азоту) п₀= (3-5)·10¹⁴ см^-3, а 12-мікронна область р-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⁺р_оп⁺-структурі спостерігається різкий субнаносекундний 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 різкими блокуючими 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 відновлення показав, що в р⁺п₀п⁺-структурі з різкими переходами задній плазмовий фронт утвориться (як й у кремнієвих ДДРВ) поблизу р⁺р_о-переходу й приходить до блокуючого п⁺р_о-переходу раніше, ніж там спадає до нуля концентрація плазми. Після приходу фронту в приладі більше не залишається плазми, і зворотний струм протікає тільки за рахунок відходу основних носіїв від п⁺р_о-перехода, що приводить до швидкого утворення ООЗ й обриву струму.

Прості оцінки показують, що характеристики розриваючого ключа на основі SiС можуть бути дуже високими. Наприклад, одиночний р⁺р_оп⁺-діод з напругою пробою 10 кВ (товщина бази W_р0 << 100 мкм, концентрація донорів N_d = 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⁺рп_оп⁺- або п⁺пр_ор⁺-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 -аналогов кремнієвого 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.

В останнє десятиліття все більше поширення одержують пристрої формування потужних високовольтних імпульсів з індуктивними накопичувачами, у яких на основі твердотільних ключів-розмикачів використовують SOS - діоди. Для того щоб SOS - діод здійснив переривання струму в колі, забезпечується режим накачування: спочатку через нього пропускають імпульсний струм у прямому напрямку, а потім удвічі більший струм - у зворотному напрямку. Створюються умови, при яких діод якийсь час залишається провідним у зворотному напрямку, а потім обриває струм поблизу максимуму.

В Уральськом відділенні Інституту електрофізики РАН (Єкатеринбург) розроблена серія багаторазових мобільних SOS-генераторів електромагнітного випромінювання, інтенсивність та проникна здатність випромінювання, яких набагато вище, ніж у високовольтних магнітних генераторів.

Відсутність в SOS-генераторах газорозрядних комутаторів знімає принципові обмеження на частоту повторення імпульсів. У тривалому режимі роботи ця частота обмежена тепловими навантаженнями на елементи генератора, у першу чергу на сердечники магнітних ключів, а при короткочасному включенні генератора в режимі пакета імпульсів - частотними можливостями, тобто часом відновлення тиристорів і часом заряду первинного накопичувача. Режим пакету імпульсів, коли генератор працює від десятків секунд до декількох хвилин із частотою й вихідною потужністю у кілька разів перевищуючими номінальні, важливий саме для перспектив застосування в експериментальній фізиці, військовій сфері.

Одним із перших був створений генератор SM-2NS, який дозволяє отримувати вихідну напругу від 150 до 250 кВ, тривалість імпульсів складає від 3 до 4 нс, потужність імпульсу близько 100 MВт, частота слідування імпульсів - 3 кГц.

Найбільш потужний серед генераторів наносекундного класу - S-5N система охолодження елементів якого проточною водою споживає до 15 л/хв.

Він дозволяє отримувати вихідну напругу 400 - 1000 кВ, струм на навантаженні 1-3 кА, тривалість імпульсу 30 - 50 наносекунд. Часто-та слідування імпульсів: постійно - 300Гц, пачка (30 с) - 900 Гц. Цей генератор використовувся в експериментах по запалюванню коронних розрядів великого об'єму, які можуть знайти застосування в нових технологіях очищення повітря від шкідливих і токсичних домішок. Серед субнаносекундних генераторів найкращі показники досягнуті в моделі SM-3NS, у якій застосований новий тип SOS-діодів - субнаносекундні.

Із його допомогою можна отримувати імпульси вихідної напруги величиною до 400 кВ та тривалістю до 5 наносекунд. На рис. 4.3 наведена осцилограма такого генератора імпульсів.

Інтенсивні дослідження шляхів поліпшення характеристик SOS-генераторів тривають. Зокрема, у російських наукових центрах опрацьовується застосування цих генераторів для живлення широкополосних НВЧ - випромінювачів, а також як засоби накачування потужних газових лазерів. Розроблені в Росії прилади й експериментальні установки широко експлуатуються за кордоном у різних наукових організаціях: у США - у Ліверморській національній лабораторії, Дослідницькій лабораторії ВМС США, Техаському технологічному університеті, Дослідницькій лабораторії Армії; у Німеччині - у Дослідницькому центрі Карлсруе; у Республіці Корея - компанією LG Industrial Systems; в Ізраїлі - ядерним дослідницьким центром SOREQ NRC, фірмою Exion Technologies.

Висновок.

У роботі розглянуто характеристики напівпровідникових наносекундних діодів для розмиканні великих струмів.

У представленій роботі проведено опис роботи напівпровідникових діодних розмикачів струму для потужної наносекундной імпульсної техніки. Особливий інтерес представляють два типи кремнієвих діодних розмикачів: ДДРВ й SOS-діод. За допомогою ДДРВ вдається перемикати потужність до сотень мегаватів за наносекунду при щільності струму порядку 10² А/см². SOS - діоди дозволяють перемикати потужності в кілька гігават за такі ж короткі часи при щільності струму більше 10³ А/см².

Створення ДДРВ й SOS - діодів привело до створення нових потужних генераторів наносекундних імпульсів, стало можливим розробляти генератори нано- і субнаносекундних імпульсів з напругою 10³ - 10⁶В, при частоті проходження імпульсів до 10⁴ Гц і практично необмеженому терміну служби.

Розробка генераторів потужних наносекундних імпульсів з індуктивним нагромадженням енергії й напівпровідникових переривачів струму дала великий стимул для розвитку робіт з релятивістської НВЧ електроніки, широкосмугової радіолокації, систем живлення лазерів, прискорювачів електронів, імпульсних рентгенівських апаратів і т.д.

РЕЦЕНЗІЯ

на дипломну роботу студента __ курсу гр. ____

кафедри побутової електронної апаратури факультету інженерних

технологій ВМУРоЛ "Україна"

Спеціальність:

Тема: НАПІВПРОВІДНИКОВІ НАНОСЕКУНДНІ ДІОДИ ДЛЯ РОЗМИКАННЯ ВЕЛИКИХ СТРУМІВ.

Дипломний проект присвячений вивченню напівпровідникових наносекундних діодів для живлення імпульсної техніки.

В першому розділі на основі літературних даних розглянуто типи напівпровідників та їх основні властивості, проаналізовано властивості потужних силових діодів, їх ВАХ. В результаті аналізу науково-технічної літератури вибрані шляхи рішення задачі і визначені основні труднощі, які необхідно здолати.

В другому розділі проведено розгляд основних властивостей напівпровідникових перемикачів, розглянуто їх основні характеристики та шляхи їх покращення.

Третій розділ присвячено розгляду основних типів напівпровідникових перемикачів високого струму, розглянуто дрейфові діоди із різким відновленням (ДДРВ), SOS-діоди, які виготовлені як із монокристалів кремнію так і із карбіду кремнію. Встановлено параметри роботи перемикачів та їх особливості виготовлення та експлуатації.

Четвертий розділ присвячено розгляду можливих шляхів використання ДДРВ та SOS-діодів в експериментальній фізиці, розглянуто технічні характеристики створених на їх основі імпульсних генераторів великих струмів.

Конструкторська документація і пояснювальна записка виконані відповідно до вимог ЄСКД.

Дипломна робота заслуговує оцінки „__________", а студент __________________ присвоєння кваліфікації „__________________" за фахом „_________________________".

РЕЦЕНЗЕНТ:

ВІДГУК

на дипломну роботу студента __ курсу гр. ____

кафедри побутової електронної апаратури факультету інженерних

технологій ВМУРоЛ "Україна"

Спеціальність:

Тема: НАПІВПРОВІДНИКОВІ НАНОСЕКУНДНІ ДІОДИ ДЛЯ РОЗМИКАННЯ ВЕЛИКИХ СТРУМІВ.

У сучасному арсеналі експериментальної техніки для проведення фізичних експериментів джерела потужних високовольтних імпульсів займають досить об'ємну "екологічну" нішу.Тому тема дипломного проекту є актуальною.

Дипломант виконав аналіз науково-технічної літератури по технічним і конструктивним особливостям напівпровідникових наносекундних перемикачах, їх використанню в експериментальній фізиці.

У процесі виконання проекту дипломантом досліджено напівпровідникові наносекундні діодів різного типу та їх характеристики. Розглянуто технологічні особливості виготовлення функціональних пристроїв на основі напівпровідникових наносекундних діодів.

Результати, отримані в процесі виконання дипломного проекту, можуть бути використані при розробці напівпровідникових наносекундних діодів для розмикання великих струмів. У процесі виконання дипломної роботи __________________ показав вміння самостійно працювати з науково-технічною літературою, проводити теоретичні дослідження та інженерні розрахунки.

Бакалаврська робота заслуговує оцінки «__________», а студент _______________ -присвоєння кваліфікації _________________________ за напрямком «Електронні апарати».

Науковий керівник, доцент кафедри ПЕА, к. т. н.

41

Анотація.

Розробка напівпровідникових нано- та субнаносекундних перемикачів високого струму є необхідною умовою подальшого розвитку експериментальної фізики, яка потребує перемикачів потужністю 10¹⁰ Вт із частотою слідування імпульсів до 10⁴ Гц в дипломній роботі розглянуто два типи кремнієвих діодів: дрейфові діоди із різким відновлення (ДДРВ) та SOS-діоди, які дозволяють одержувати густини струмів порядку 10² A/см² та потужності 10⁸ Вт і 10⁵ A/см² та 10¹⁰ Вт відповідно.

SOS-діоди стали основою для створення двох типів наносекундних генераторів імпульсів великих струмів. У роботі розглянуто також можливість використання не тільки монокристалічного кремнію для створення ДДРВ та SOS-діодів, але і монокристалічного карбіду кремнію.

Annotation.

The development of semiconductor-based nano- and subnanosecond high current breakers is crucial for advancing modern research in experimental physics and radioelectronics, particularly with increasing power (to 10¹⁰ W) and repetition rate (to 10⁴ Hz) of impulse devices. Highlighted in this graduation work are two types of silicon diodes: drift step recovery diodes (DSRDs) and SOS diodes with the attainable current densities and switched-off powers being 10² A/cm² and 10⁸ W in the former case, and 10⁵ A/cm² and 10¹⁰ W in the latter.

The study of the SOS-diodes showed that the current interruption time decreased to 500-600 ps when the reverse pumping time was reduced to 10-15 ns. The stage of subnanosecond interruption of current equal to 1 kA. The current cutoff time is 600 ps. The subnanosecond SOS diode served as the basis for development of two types short pulse generators. The possibility of utilizing not only monocrystalline silicon (as in DSRDs and SOS diodes) for the base material but also monocrystalline silicon carbide is examined.

Список використаної літератури.

1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио, 1980. - 293 с.

2. Крутякова М.Г., Чариков Н.А., Юдин Б.В. Полупроводниковые приборы и основы их проектрования. - М.: Радио и связь, 1983. - 350 с.

3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. - М.: Высш. шк., 1973. - 420 с.

4. И. В. Грехов, Г. А. Месяц // Успехи физических наук. Т 175, № 7, 2005.

5. С. А. Дарзнек, С. Н. Рукин, С. Н. Цыпанов // ЖТФ. Т 70, № 4, 2000.

6. А. В. Рожков, В. А. Козлов // Физика и техника полупроводников. Т. 37, вип. 12, 2003.

7. А. В. Рожков, В. А. Козлов, А. Ф. Кардо-Сысоев // Физика и техника полупроводников. Т. 37, вип. 12, 2003.

8. Тучкевич В. М., Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. - Л.: Наука, 1988. - 117 с.

9. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. // ДАН. 1994. Т. 334. № 3. С. 304-306.

10. Месяц Г А Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М.: Сов. радио, 1974., 234 с.

11. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. - М.: Наука, 2004. - 148 с.

12. Гришанов Б.И. SOS-диоды - новые ключи в мощной импульсной технике // ДАН. 2004. Т. 178. № 2. с. 128-132.