2.2 Технология и конструкции диодов и тиристоров

Получение структуры с чередующимися областями Р- и N- типов в современных условиях может быть осуществлено различными технологическими методами: диффузией, сплавлением, сочетанием диффузии и сплавления, эпитаксиальным методом и др.

Эпитаксиальная технология, или ориентированное выращивание полупроводниковых пленок на монокристаллической подложке, позволяет получить структуры, способные работать при повышенных напряжениях и частотах. Электрические потери в таких структурах минимальны. Очевидно, что эпитаксиальной технологии создания РN-переходов принадлежит будущее.

В современном отечественном производстве кремниевых управляемых и неуправляемых вентилей наибольшее применение находит диффузионная технология изготовления многослойных структур.

Основой структуры при использовании этого метода является диск из монокристаллического кремния N-типа толщиной 0,5…0,7 мм и диаметром 17…70 мм (определяется типоразмером прибора). После тщательной шлифовки в очистки диска с обеих сторон при определенных температурных режимах производится диффузия примесей Р-типа. В результате получается PNP-структура. Последующей сошлифовкой одного из слоев Р-типа из нее получают двухслойную структуру диода.

Если изготовляется структура тиристора, то с одной из сторон РNР-структуры, исключая небольшие участки в местах последующего монтирования управляющего электрода и шунтирования эмиттерного перехода, повторной диффузией внедряют примеси N-типа.

Причем концентрация донорных атомов должна быть больше концентрации первоначально введенных примесей Р-типа (рисунок 2.3.).

Шунтировка (закоротка малым сопротивлением) эмиттерного перехода реализуется при сборке вентильного элемента, показанного на рисунке 2.4. Она служит для улучшения температурной стабильности и повышения предельного напряжения тиристоров.

Рисунок 2.3 − Распределение концентрации примесей при

изготовлении многослойных полупроводниковых структур

1 − Р-слой; 2 − N-база: 3 − Р-база; 4 − N- слой; 5 − вольфрамовый электрод; 6 − шунтировка; 7 − катодный вывод; 8 − вывод управляющего электрода; 9 − вольфрамовый электрод

Рисунок 2.4 − Схематический разрез вентильного элемента

тиристора

Изготовленные таким образом структуры диода или тиристора после снятия фаски по внешнему диаметру напаиваются на вольфрамовый диск, а затем монтируются в герметичный корпус.

Фаска, снимаемая под определенным углом к плоскости кремниевой шайбы (рисунок 2.4.), обеспечивает уменьшение напряженности электрического поля на РN-переходах в местах выхода их на боковую поверхность. На рисунке 2.5 приведен пример технологического маршрута при изготовлении одного из типов быстродействующего тиристора.

Конструкция СПП должна обеспечивать их высокую эксплуатационную надежность, требуемый срок службы, минимальные массу и габаритные размеры, надежную герметичность корпуса, хороший электрический и тепловой контакт между отдельными элементами, компенсацию механических напряжений, простое и надежное соединение с охладителями, удобство группового соединения.

Основой конструкции любого прибора является вентильный элемент, определяющий электрические характеристики СПП.

Важным моментом при изготовлении вентильного элемента представляется создание контакта с кремниевой структурой.

Кремний имеет малую предельно допустимую деформацию. Если выполнить жесткое соединение кремниевого диска с медными электродами, например с помощью пайки, могут возникнуть недопустимые механические напряжения при изменении температуры нагрева.

Для уменьшения деформации в вентильном элементе применяются электроды в виде дисков из металла, обладающего близким к кремнию температурным коэффициентом линейного расширения (вольфрам, молибден).

Эти диски компенсируют механические напряжения, возникающие в местах соединения вентильного элемента с медными частями корпуса, но затрудняют отвод теплоты, выделяющейся в структуре.

На рисунке 2.6. показана штыревая конструкция диода с жестким соединением вентильного элемента с корпусом. При таком исполнении прибора полупроводниковая структура 3 впаивается предварительно между двумя вольфрамовыми электродами. Затем электрод, соединенный с N-областью структуры, припаивается к массивному медному основанию 1 корпуса, выполненному в виде шестигранника (под ключ) с нарезной шпилькой 10, служащей для соединения прибора с охладителем.

Рисунок 2.5 −Технологическая схема изготовления

быстродействующего тиристора

К другому электроду, являющемуся анодом диода, припаивается гибкий канатик из медной проволоки 4, с помощью которого осуществляется вывод анода за пределы корпуса через стеклянный изолятор 6. Герметичность корпуса обеспечивается завальцовкой стального стакана 5 в основание с пластичной фторопластовой прокладкой 2. Для удобства включения прибора в электрических схемах к анодному электроду через герметизирующие стальные стаканы 7 и 8 подсоединяется жесткий или гибкий, как показано на рисунке 2.6, внешний вывод 9.

Аналогично могут быть выполнены и тиристоры штыревой конструкции. Внешне они отличаются от диодов лишь наличием третьего вывода − управляющего электрода, который, как и анодный вывод диода, закреплен в стеклянном изоляторе. Но надо иметь в виду, что у тиристоров к медному основанию корпуса припаивается электрод, соединенный с Р-областью структуры. Поэтому основание тиристора в отличие от диода является анодом, а гибкий (или укороченный жесткий) вывод, закрепленный в стеклянном изоляторе − катодом.

Общим недостатком СПП штыревой конструкции с жестким соединением вентильного элемента с корпусными элементами является их низкая термоциклоустойчивость и относительно низкая нагрузочная способность. Последнее обстоятельство непосредственно связано с ухудшением теплоотвода от кремниевой структуры из-за наличия вольфрамовых термокомпенсаторов с обеих ее сторон.

В последние годы все более широкое распространение получают СПП штыревого и таблеточного исполнения с прижимными вентильными элементами. Причем сам вентильный элемент содержит только один вольфрамовый термокомпенсатор, припаянный к кремниевой структуре со стороны анода у тиристоров или со стороны катода у диодов. Вторая плоскость структуры в процессе сборки прижимается через серебряную или оловянистую прокладку непосредственно к медному основанию корпуса.

На рисунке 2.7. показана конструкция одного из типов тиристоров (Т153-630) таблеточного исполнения. Вентильный элемент прибора, состоящий из кремниевой структуры 5 и вольфрамового диска 6, припаянного со стороны анода, расположен между основаниями 4 и 9 металлокерамического корпуса. С каждой стороны вентильного элемента имеется серебряная прокладка.

Причем в верхней прокладке (со стороны катода) в центре имеется круговое отверстие для подсоединения управляющего электрода.

В основании 4 сделано осевое отверстие, в котором размещен изолированный теплостойкой изоляционной трубочкой и керамической втулкой 1 управляющий электрод З.

В рабочем состоянии прибора управляющий электрод вместе с центрирующей керамической втулкой прижимается к выведенной на поверхность структуры управляющей области (Р-базы) с помощью пружины 2.

Для исключения смещения вентильного элемента и серебряных прокладок относительно оснований корпуса служит фторопластовое кольцо 7. Изоляция между катодом и анодом обеспечивается ребристым керамическим изолятором 8. Через этот же изолятор осуществляется вывод за пределы корпуса управляющего электрода.

Рисунок 2.6 −Конструкция силового диода

Рисунок 2.7 − Конструкция тиристора с прижимными

контактами

Необходимое усилие сжатия элементов этой конструкции создается в процессе сборки прибора с типовыми охладителями посредством стяжных болтов для фиксации положения таблетки относительно поверхностей охладителей в основаниях корпуса 4 и 9 имеются углубления 10 под штифты.

Заметим, что в данной конструкции отвод выделяющейся в кремниевой структуре теплоты осуществляется через оба основания. Это позволяет значительно повысить предельные токи приборов.

Для некоторых специальных применений промышленность выпускает приборы с отличными от рассмотренных корпусами. Так, для систем возбуждения турбогенераторов разработаны и изготовляются приборы штыревой конструкции с плоским основанием (без шпильки) круглой формы.

По периметру основания имеются отверстия для крепления прибора к охладителю с помощью болтов. Для автотракторных диодов разработан корпус под запрессовку в охлаждающие устройства. Имеются я другие варианты специальных корпусов, однако общие принципы конструирования СПП, реализующие предъявляемые к конструкциям требования, несущественно отличаются от рассмотренных.