Дипломная работа: Діоди
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 стотно поліпшуються при використанні магнітних ключів і магнітних компресорів.
3.3. Розмикач струму на основі карбіду кремнію.Всі описані вище потужні розмикач 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+роп+-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+роп+-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+ро-переходу й приходить до блокуючого п+ро-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+ро-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+роп+-діод з напругою пробою 10 кВ
(товщина бази Wр0 <<
100
мкм, концентрація донорів Nd = 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 вирощуванн р+рпоп+- або п+прор+-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 ємнісн накопичувачі. Однак можуть застосовуватися й інші типи накопичувачів, зокрема, ндуктивні 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 відразу після цього витримувати без пробою високі зворотні напруги. У пристроях, що формують імпульси з енергією до одиниць мегаджоулів і більше, як переривач дотепер ще використаються провідники, які у певний момент часу згоряють. Однак такі комутатори мають досить обмежену область застосування й практично не використовуються широко.
В останн десятиліття все більше поширення одержують пристрої формування потужних високовольтних імпульсів з індуктивними накопичувачами, у яких на основ 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 мпульсів – частотними можливостями, тобто часом відновлення тиристорів і часом заряду первинного накопичувача. Режим пакету імпульсів, коли генератор працю 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. Частота 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 імпульсно 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 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 результат 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 х 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 особливост 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-технічно 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 технологічн 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 дипломно 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.
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 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.
