MD196Y

MD196Y - Coloana de diode de temperatura inalta

Info

Publication number: MD196Y
Application number: MDS20090053A
Authority: MD
Inventors: Simion Baranov; Boris Cinic
Original assignee: Institutul De Inginerie Electronica Si Tehnologii Industriale Al Academiei De Stiinte A Moldovei; Simion Baranov; Boris Cinic
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-04-30
Also published as: MD196Z

Abstract

Inventia se refera la domeniul electronicii temperaturilor inalte si poate fi utilizata in electrotehnica sau alte domenii ale tehnicii, unde sunt solicitate convertizoare de tensiune inalta de dimensiuni mici, de exemplu, in sursa de alimentare a generatorului instalatiilor roentgenotehnice sau in sursa de alimentare a magnetronului convertizorului dispozitivelor cu microunde. Coloana de diode de temperatura inalta contine diode de redresare de tensiune inalta, formate dintr-un semiconductor de tip A3B5 cu banda energetica interzisa mai mare decat 1,1 eV, si un strat de pasivizare si protectie din oxidul elementului A, depus pe suprafata de iesire a jonctiunii p-n la suprafata. Coloana de diode mai contine discuri metalice cu coeficientul de dilatare termica aproape de coeficientul de dilatare termica a semiconductorului diodei, amplasate intre diodele de redresare pe axa coloanei peste cel putin o dioda si conectate consecutiv cu acestea, asamblate si capsulate intr-un corp din masa plastica cu doua borne de iesire, care sunt unite flexibil cu diodele extreme prin discuri metalice. Rezultatul consta in majorarea temperaturii de lucru a coloanei de diode de temperatura inalta pana la 200°C si micsorarea timpului de revenire inversa mai jos de 60 ns.

Description

Invenţia se referă la domeniul electronicii temperaturilor înalte şi poate fi utilizată în electrotehnică sau alte domenii ale tehnicii, unde sunt solicitate convertizoare de tensiune înaltă de dimensiuni mici, de exemplu, în sursa de alimentare a generatorului instalaţiilor roentgenotehnice sau în sursa de alimentare a magnetronului convertizorului dispozitivelor cu microunde.

Cea mai apropiată soluţie este coloana de diode cu avalanşă, care conţine diode redresoare din siliciu conectate consecutiv, montate pe o bară din textolit de sticlă şi amplasate într-un corp din masă plastică cu două borne de ieşire [1].

Dezavantajele acestei soluţii constau în temperatura joasă de funcţionare, limitată la 120°C din cauza creşterii curenţilor de scurgere la tensiuni de blocare inversă şi timpul de revenire inversă mare la diode, factor determinat de proprietăţile electrofizice ale siliciului, care în funcţie de dimensiunile cristalului variază în intervalul 250…380 ns.

Problemele, pe care le rezolvă prezenta invenţie, sunt păstrarea stabilităţii proprietăţilor electrice ale coloanei de diode în condiţii de funcţionare la temperatură înaltă (peste 200°C) şi majorarea vitezei de funcţionare a dispozitivului.

Dispozitivul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine diode de redresare de tensiune înaltă, formate dintr-un semiconductor de tip A3B5 cu banda energetică interzisă mai mare decât 1,1 eV, şi un strat de pasivizare şi protecţie din oxidul elementului A, depus pe suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n la suprafaţă. Coloana de diode mai conţine discuri metalice cu coeficientul de dilatare termică aproape de coeficientul de dilatare termică a semiconductorului diodei, amplasate între diodele de redresare pe axa coloanei peste cel puţin o diodă şi conectate consecutiv cu acestea, asamblate şi capsulate într-un corp din masă plastică cu două borne de ieşire, care sunt unite flexibil cu diodele extreme prin discuri metalice.

Rezultatul invenţiei constă în majorarea temperaturii de lucru a coloanei de diode de temperatură înaltă până la 200°C, micşorarea timpului de revenire inversă mai jos de 60 ns şi sporirea randamentului la producţia coloanei de diode cu peste 40% prin implementarea tehnologiei de chloride epitaxie din fază gazoasă a semiconductorului de tip A3B5, de exemplu GaAs, precum şi protejarea joncţiunii p-n a diodei de redresare prin metode chimice cu oxidul elementului A, de exemplu, oxidul de galiu.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 2, care reprezintă:

- fig. 1, schema electrică a coloanei de diode;

- fig. 2, construcţia coloanei de diode.

Coloana de diode este o succesiune de elemente de redresare 1…n (fig. 1), care conţine diode de redresare de tensiune înaltă 2, 5 în formă de disc, dintr-un semiconductor de tip A3B5 (de exemplu GaAs sau InP) cu diametrul mai mic de 5 mm, şi un strat de pasivizare şi protecţie 4 din oxidul elementului A, depus pe suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n la suprafaţă (fig. 2). Coloana de diode mai conţine discuri metalice 3 cu coeficientul de dilatare termică aproape de coeficientul de dilatare termică a semiconductorului diodei, amplasate între diodele de redresare pe axa coloanei peste cel puţin o diodă şi conectate consecutiv cu acestea, asamblate şi capsulate într-un corp 6 din masă plastică cu două borne de ieşire 1, 7, care sunt unite flexibil cu diodele extreme prin discuri metalice.

Prima deosebire a invenţiei constă în utilizarea unui compus semiconductor cu banda interzisă mai mare decât a siliciului, de exemplu, a unui compus de tip A3B5, pentru fabricarea diodei de redresare cu tensiune înaltă, utilizată în coloana de diode. Arseniura de galiu (GaAs), de exemplu, utilizată în dioda de redresare, micşorează curenţii de scurgere la tensiunile de blocare astfel încât prin majorarea temperaturii la 300°C curenţii de scurgere sunt mai mici decât aceiaşi curenţi la dioda din siliciu măsuraţi la 120°C. De asemenea, mobilitatea sporită a purtătorilor de curent în GaAs (4000…5000 cm2/V·s la temperatura de 25°C) duce la micşorarea timpului de revenire inversă (30…60 ns) la dioda de redresare.

Procedeul de fabricare a diodei de tensiune înaltă este legat de specificul tehnologiei materialului semiconductor.

Spre deosebire de cea mai apropiată soluţie, dioda de redresare conform invenţiei este fabricată din semiconductor de tip A3B5 datorită utilizării tehnologiei de obţinere a straturilor groase (60…100 µm) şi omogene din GaAs sau InP prin metoda de chloride epitaxie din fază gazoasă, care are un randament sporit pe scară industrială, fapt ce reduce costurile de producţie. Tehnologia chloride, considerată una din cele mai pure tehnologii de obţinere a materialelor semiconductoare de tipul A3B5, datorită gradului ridicat de puritate a componentelor iniţiale în producţie, cum ar fi galiul, triclorura de arsen etc., permite producerea eficientă a structurilor de redresare cu tensiune inversă peste 1500 V.

Altă deosebire a invenţiei constă în materialul stratului de pasivizare şi protecţie a joncţiunii p-n, utilizat la dioda din semiconductor de tip A3B5, care reprezintă oxidul elementului A al acestui semiconductor. Joncţiunile p-n de tensiune înaltă sunt caracterizate prin valori mari ale intensităţii câmpului electric (105…106 V/m) atât în masivul semiconductorului, cât şi la suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n. Sunt cunoscute mai multe metode de majorare a tensiunii de străpungere prin avalanşă a dispozitivului, aşa ca depunerea armăturii de câmp, formarea cercurilor de protecţie, formarea teşiturii la joncţiunea p-n. Aceste metode au ca scop micşorarea probabilităţii străpungerii electrice pe suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n, creând astfel condiţii de străpungere în volumul semiconductorului.

La fabricarea diodei din siliciu, ca material de pasivizare şi protecţie este utilizat bioxidul de siliciu, ca oxid propriu formând cu siliciul o adeziune calitativă. Bioxidul de siliciu, ca şi nitrura de siliciu, sunt în prezent utilizate şi în producţia diodelor cu GaAs de tensiuni până la 600 V. Însă sarcina pozitivă fixă în stratul oxidului de siliciu, depus pe suprafaţa GaAs, provoacă efectul de invertire a suprafeţei semiconductorului, în urma căruia tensiunea de străpungere scade. Mobilitatea sarcinii electrice în stratul inversat, care apare din cauza prezenţei pe suprafaţă a oxizilor de arsen şi a altor impurităţi, provoacă instabilitatea caracteristicilor electrice. În intervalul tensiunilor de străpungere purtătorii fierbinţi injectaţi în stratul oxidului de siliciu duc la modularea conductibilităţii suprafeţei GaAs, care poate provoca o străpungere haotică sau aleatorie.

Depunerea stratului de oxid de galiu pe suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n se efectuează din contul materialului masiv (GaAs), ce asigură o adezivitate calitativă între materiale, stabilizează la suprafaţă potenţialul chimic Fermi şi măreşte rezistivitatea stratului la suprafaţă prin doparea lui cu oxigen, care în GaAs formează niveluri adânci în banda energetică interzisă. Deci, oxidul de galiu pasivizează şi în acelaşi timp protejează joncţiunea p-n, mărind tensiunea de străpungere a diodei la creşterea intensităţii câmpului electric.

Coloana de diode se mai deosebeşte de cea mai apropiată soluţie prin aceea că conţine discuri metalice cu coeficientul de dilatare termică aproape de coeficientul de dilatare termică a semiconductorului diodei, amplasate între diodele de redresare pe axa coloanei peste cel puţin o diodă şi conectate consecutiv cu acestea. Un astfel de metal pentru GaAs poate fi molibdenul sau aliajele lui. Conductibilitatea termică a metalului este mai mare decât conductibilitatea termică a GaAs, prin urmare, discurile îmbunătăţesc distribuirea radială a căldurii degajate în zona activă a semiconductorului diodei, omogenizează câmpul termic şi asigură caracteristicile termotehnice ale coloanei de diode într-un interval lărgit de temperaturi (peste 200°C). Pentru evacuarea căldurii din coloana de diode sunt utilizate şi bornele de ieşire executate din cupru, fiind unite cu diodele extreme prin discuri metalice. Totodată bornele de ieşire sunt unite flexibil cu discuri metalice cu scopul compensării deplasărilor termice axiale.

Exemplu de realizare a invenţiei

Structurile crescute prin metoda de chloride epitaxie din fază gazoasă aveau tensiunea de blocare 900 V. La controlul de clasificare a tensiunii de blocare toate diodele obţinute de pe structură s-au aranjat în intervalul de valori 700…900 V.

Pentru montarea coloanei de diode au fost fabricate discuri din molibden cu diametrul 2 mm, grosimea 0,2 mm şi două borne de ieşire cilindrice cositorite cu diametrul 1,3 mm, transformate la un capăt în folie cu grosimea 0,4…0,5 mm şi arcuite la 90° faţă de axă. Elementele coloanei de diode au fost unite prin lipire cu aliaj PbSnAg (temperatura de topire 305°C) în formă de folie cu grosimea 100 µm şi diametrul 1,2 mm, numită în continuare prefaţă. Montarea coloanei s-a efectuat în suport tehnologic din grafit prin instalarea în ordine consecutivă, conform desenului din fig. 2, a elementelor: borna de ieşire - prefaţă - disc metalic - prefaţă - diodă - prefaţă - … - diodă - prefaţă - disc metalic - prefaţă - borna de ieşire. Procedeul de lipire s-a realizat în flux de hidrogen la temperatura 340°C timp de 7…10 min. Pentru capsulare a fost utilizată răşină KJR-9033E cu regim de polimerizare: la temperatura de 150°C - 2 ore, apoi la temperatura de 200°C - 6 ore.

Două modele de coloane de diode au fost montate cu trei şi şase diode de redresare cu tensiunile de blocare inversă 1,8 şi 4,2 kV respectiv la curenţi de scurgere 10 µA la temperatura de 200°C, limitată doar de proprietăţile materialelor auxiliare utilizare, de exemplu răşină pentru capsulare.

1. RU 2003121273 A1 2005.02.27

Claims

Coloană de diode de temperatură înaltă, care conţine diode de redresare de tensiune înaltă, formate dintr-un semiconductor de tip A3B5 cu banda energetică interzisă mai mare decât 1,1 eV, şi un strat de pasivizare şi protecţie din oxidul elementului A, depus pe suprafaţa de ieşire a joncţiunii p-n la suprafaţă; mai conţine discuri metalice cu coeficientul de dilatare termică aproape de coeficientul de dilatare termică a semiconductorului diodei, amplasate între diodele de redresare pe axa coloanei peste cel puţin o diodă şi conectate consecutiv cu acestea, asamblate şi capsulate într-un corp din masă plastică cu două borne de ieşire, totodată bornele de ieşire sunt unite flexibil cu diodele extreme prin discuri metalice.