11.2.4. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

11.2.4. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Качественный скачок в силовой электронике связан с появлением силовых полупроводниковых приборов. Они активно вторглись в средства разработки преобразовательных устройств, полностью вытеснив значительную часть газоразрядных приборов. Как и всякая новая элементная база, полупроводниковые вентили развивались многопланово: изменялись предельные параметры, функциональные возможности, динамические характеристики.

Более высокие возможности полупроводниковых приборов позволили ставить новые функциональные задачи: вместо традиционного выпрямления и инвертирования разрабатывать импульсные высокочастотные энергообменные устройства для реверсивной передачи энергии от одного объекта к другому.

В настоящее время силовые полупроводниковые вентили вытеснили все виды силовых приборов во всех областях применения, за исключением высоковольтных электротехнологических установок и установок большой мощности (десятки и сотни киловатт), работающих в радиочастотном диапазоне.

Созданию мощных полупроводниковых приборов (ППП) предшествовали весьма важные поначалу разрозненные шаги по изучению электрических свойств твердого тела, явлений на границах раздела материалов и сред.

На этом историческом пути отправными пунктами следует считать обнаружение в 1873 г. изменения проводимости селена под влиянием освещения — внутреннего фотоэффекта; открытие односторонней проводимости контакта металл-полупроводник (К.Ф. Браун, Германия, 1874 г.); открытие генерации и усиления электромагнитных колебаний контактом металл-полупроводник (О.В. Лосев, Россия, 1922 г.); изобретение в 1948 г. точечного транзистора (Дж. Бардин и У. Браттейн, США); последующая разработка теории p-n-перехода и создание плоскостного транзистора (У. Шокли, США, 1949–1951 гг.).

^{Рис. 11.7. Первые отечественные германиевые и кремниевые диоды (1960 г.)}

^{а — точечный диод; 1 — корпус; 2 — иглодержатель; 3 — игла; 4 — кристалл германия; 5 — кристаллодержатель; 6 — выводы; б — плоскостной диод} 

По сути дела, именно эти изобретения определили бурное развитие полупроводниковой электроники во второй половине XX в. Начиная с первых лет создания полупроводниковых приборов, определились две ветви полупроводниковой электроники: силовая и информационная.

В 50-е годы появились первые маломощные полупроводниковые диоды на базе германия и кремния (рис. 11.7).

Исследования по созданию отечественных мощных полупроводниковых диодов на основе германия были начаты в середине 50-х годов. Они базировались на фундаментальных исследованиях в области физики твердого тела, выполненных в нашей стране А.Ф. Иоффе и его школой. Первые расчеты и экспериментальные образцы плоскостных p-n-переходов были получены Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе, а затем продолжены ВЭИ и саранским заводом «Электровыпрямитель». Первые типы промышленных диодов (вентилей) были созданы С.Б. Юдицким (ВЭИ).

Методом сплавления германия с индием были созданы диоды серии ВГ — вентили германиевые на токи до 200 А (импульсные токи до 900 А) на напряжение до 200 В. Хотя прямые падения напряжения на таких диодах были около 1 В, принципиальная невозможность получения p-w-переходов на более высокие напряжения из-за недостаточной ширины запрещенной зоны и низкого удельного электрического сопротивления ограничила применение германия.

С начала 60-х годов выполнялись исследования и разработки силовых приборов на основе монокристаллического кремния. Результаты теоретического анализа физических явлений в p-n-переходах в полупроводниках к этому времени уже позволяли проектировать диоды для преобразовательных устройств промышленной электроники.

В конце 50-х годов в лабораториях ВЭИ были созданы первые отечественные кремниевые вентили на токи 200 А (ВК-200). Основные функциональные элементы — p-n-переходы формировались методом сплавления алюминиевой фольги с кремниевыми дисками диаметром 25 мм. Малая толщина рекристаллизованного p-слоя ограничивала пробивные напряжения таких p-n-переходов на уровне 300–400 В. Это сужало применение диодов серии ВК в сетях с промышленным уровнем напряжения и требовало их последовательного соединения, что диктовало применение выравнивающих RC-цепочек, усложняло электрические схемы и конструкции выпрямительных устройств.

Необходимость повышения рабочих напряжений стимулировала исследования по разработке диффузных методов формирования многослойных структур с p-n-переходам и (В.Е. Челноков, В.М. Тучкевич).

В 1961 г. были разработаны вентили серии ВКД (вентили кремниевые диффузионные) на 200 А (диаметр кремниевого диска 25 мм) на напряжения около 1000 В. Это уже позволило комплектовать ими выпрямители электровозов и мотор-вагонные секции электропоездов для эксплуатации на участках железных дорог, питаемых переменным напряжением около 25 кВ.

Уже через год (в 1962 г.) были созданы первые отечественные силовые тиристоры, называемые тогда управляемыми вентилями (например, ВКДУ-150 — вентиль кремниевый диффузионный управляемый на ток 150 А). Вскоре счет модификаций, типоразмеров, типономиналов и конструкций вентилей пошел на десятки и сотни.

Несомненно, что особой вехой в развитии силовых полупроводниковых приборов (СПП) стало создание в середине 60-х годов диодов и тиристоров таблеточной конструкции. Двусторонний отвод теплоты позволил практически удвоить нормальные токи приборов при тех же площадях выпрямительных элементов.

Специфика технологии производства СПП, их уникальные свойства (высокая коммутационная способность, быстродействие, простота обслуживания, высокие КПД, надежность и долговечность) привели к бурному развитию силового полупроводникового приборостроения. Оно стало особым звеном в полупроводниковой электронике.

Следует особо отметить, что развитие в 60–70-х годах методов диффузионного легирования кремния бором, алюминием, фосфором и др. происходило с учетом свойств отечественного монокристаллического кремния. Жесткие требования к параметрам и характеристикам СПП привели к необходимости совершенствования технологии и повышения качества кремния.

Выращивание монокристаллов кремния методом Чохральского не позволяет достичь удельного сопротивления выше 100 Ом?см. Кроме того, разброс значений удельного сопротивления на торцах и по длине таких монокристаллов составляет 10–30%. Все это существенно ограничило возможности проектирования и создания СПП с высокими параметрами.

Получивший распространение в технологии СПП метод бестигельной зонной плавки монокристаллов кремния дал возможность изготавливать исходный материал с высокими значениями удельного сопротивления. Появилась проблема однородности легирования монокристаллов кремния по их длине и сечению, которая была решена в 70–80-х годах радиационными нейтронными методами.

Ядерная реакция, приводящая при облучении кремния медленными нейтронами к превращению атомов одного из изотопов кремния w атомы фосфора, позволила изготавливать однородные монокристаллы «-типа (легированные фосфором) с заданными диапазонами удельных сопротивлений и достаточными временами жизни неосновных носителей. Именно радиационно-легированный кремний (РЛК) позволил обойтись без импорта основного исходного материала и создать СПП, необходимые преобразовательной технике.