Введение к работе
Актуальность. Рост энерговооруженности различных областей народного хозяйства стимулирует развитие силовой преобразовательной техники, базирующейся на использовании мощных полупроводниковых- ключевых элементов, в частности, силовых транзштгоров. В. преобразовательных устройствах силовые транзисторы работают в ключевом режиме, и их коммутационные характеристики зависят от максимально допустимых обратного напряжения и коллекторного тока, а также от быстродействия приборов.
Для проектирования транзисторов с высокими пробивными напряжениями, имеющих при этом хорошие токовые и переключательные характеристики, необходим правильный выбор исходного материала, режимов диффузионных процессов, состава пассивирующего покрытия и профиля поверхности выхода p-n-перехода. Это требует хороших знаний физических явлений, происходящих у края полупроводниковой структуры, и в первую очередь, закономерностей распределения напряженности электрического поля вблизи и на поверхности p-n-перехода. Кроме того, для практической реализации тех или иных конструктивных решений должны быть разработаны соответствующие технологические процессы, позволяющие изготавливать спроектированные приборы в производственных условиях.
Исследования, посвященные проблеме повышения пробивного напряжения силовых полупроводниковых приборов, в основном касаются мощных высоковольтных тиристоров, специфика которых в большинстве случаев не позволяет использовать полученные результаты яри конструировании и изготовлении ' силовых транзисторов. К силовым транзисторам, в основном, неприменимы также принципы конструирования транзисторов средней и малой мощности, так как большие площади полупроводниковых структур предъявляют совершенно иные требования к конструкции, и технологии изготовления силовых приборов.
В научно-технической литературе существует - множество работ, посвященных численным методам расчета параметров обратносиещенных полупроводниковых структур и разработке оптимальных конструкций приборов її і основе этих расчетов. Однако эти исследования относятся к конкретным
тішам приборов, и их результати не всегда могут быть использованы для проектирования приборов с нужными электрическими характеристиками. Наличие большого количества электрофизических параметров, влияющих па распределения потенциала и напряженности электрического поля, а также большого числа возможных конструктивных и технологических решений обуславливает потребность в методиках расчета и соответствующих программах для ЭВМ, позволяющих разработчикам силовых транзисторов прогнозировать характеристики прибора при любом сочетании электрофизических и геометрических параметров.
Целью настоящей работы является разработка методик расчета для исследования закономерностей влияния электрофизических и геометрических параметров полупроводниковых структур на характеристики силоаых высоковольтных транзисторов и оптимизация на основе выявленных закономерностей конструкций и технологических режимов изготовления этих приборов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи;
-
Разработать методики расчета для определения электрических характеристик обратносмещенных полупроводниковых структур в зависимости от их электрофизических и геометрических параметров:
-
На основе расчетных и экспериментальных исследований выявить закономерности влияния электрофизических параметров и геометрической формы поверхности выхода ' p-n-перехода структур высоковольтных транзисторов на пробивные напряжения этих приборов:
-
Разработать и оптимизировать конструкции силовых транзисторных структур и технологические методы их профилирования, позволяющие изготавливать транзисторы с максимальным для данной структуры пробивным напряжением:
-
Произвести апробацию разработанных транзисторов в преобразовательных устройствах, схемах управления двигателями и индукционного нагрева.
Научная новизна. Разработаны специализированные для силовых транзисторных структур с профилированной краевой поверхностью математическая двумерная модель и соответствующий пакет программ для ЭВМ,
-J.
позволяющие определять распределение напряженности электрического поля и величину пробивного напряжения этих структур в зависимости от их электрофизических параметров и геометрической (рормы профилированной поверхности.
Разработана методика расчета оптимальной конструкции пленарной транзисторной структуры с несколькими ограничивающими поле кольцами (ОПК).
Выявлены закономерности распределения напряженности электрического полі в полупроводниковых структурах типа смыкания в зависимости от геометрической формы поверхности выхода р-н-перехода, поверхностного заряда, относительной диэлектрической проницаемости пассивирующего покрытия и степени смикання.
Разработан метод плазмохимического профилирования краевой поверхности силовых транзисторных структур. Установлены эмпирические зависимости между геометрической формой получаемых профилей и технологическими параметрами процесса.
Произведена оптимизация конструктивных и технологических методов повышения пробивного напряжения силовых транзисторов.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований положены в основу при разработке силовых высоковольтных транзисторов типов ТК и ТКД - 165, ТК и ТКД - 152, ТК - 335, а также - силовых транзисторных модулей серии МТКД. Указанные приборы применены в различных преобразовательных устройствах, агрегатах бесперебойного питания, бортовой радиоэлектронной аппаратуре, электроприводах, плитах с индукционным нагревом.
На защиту выносятся: t. Математическая модель двумерного расчета напряженности электрического поля в структурах силовых транзисторов с профилированной краевой поверхностью.
2. Методика, расчета оптимальной конструкции пленарной высоковольтной
транзисторной структуры с несколькими ОПК.
3. Результаты комплексного исследования закономерностей распределения
напряженности олектрич >ского поля в структурах силовых транзисторов в
зависимости от их геометрических и злектрофизичел ких параметров.
-
Основные конструктивно-технологические рещения, обеспечивающие изготовление силовых транзисторов с максимальными пробивными напр*., кениями.
-
Рекомндации по применению силовых транзисторных ключей в различных схемах преобразовательных устройств и изделиях.
Апробация работы ч публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
отраслевом семинаре "Развитие технологии и ' конструкции быстродействующих силовых полупроводниковых приборов" (пос.Нелиярве, ЭССР, 1985г.):
отраслевом семинаре "Конструирование быстродействующих силовых полупроводниковых приборов"(Таллин, 1987г.):
3-ен Всесоюзной научно-технической конференции по силовым
полупроводниковым приборам "Основные направления развития технологии,
конструирования и исследования силовых полупроводниковых
приборов"(г.Белая Церковь, Киевск. обл., 1991г.);
нау-шых семинарах ВЭИ (Москва) и НПП "Транзистор"(Ереван).
По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи, получено 1 авторское свидетельство.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Содержание работы изложено на 169 страницах, иллюстрировано 81 рисунком и 2 таблицами.
Список литературы содержит 73 наименования.
