Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №9

Малогабаритные бескорпусные полупроводниковые ограничители напряжения

Абдулхаев Ойбек  
Ёдгорова Дильбар  
Каримов Абдулазиз  
Рахматов Ахмед  
Скорняков Станислав  

Развитие систем передачи информации, телевидения, телекоммуникации, а также появление различных электронных устройств контроля процессов и состояния окружающей среды, систем управления и диагностики ужесточают требования, предъявляемые к надежности электронных систем, к их защищенности от случайных перенапряжений и перегрузок. В этой связи большое внимание уделяется разработке эффективных приборов защиты радиоэлектронных устройств — полупроводниковых ограничителей напряжения.

Изготовление полупроводниковых ограничителей напряжения на основе кремниевых p-n-структур требует решения множества конструктивных и технологических проблем. Часть технологических проблем решается за счет выбора оптимального диффузионного способа и легирующей примеси при формировании p-n-переходов в кремнии [3]. Особенно это важно при получении n+-p+ (или p+-n+) структур в сильнолегированном кремнии в производстве низковольтных (~6–10 В) кремниевых ограничителей напряжения.

При использовании традиционной технологии диффузии бора и фосфора из твердой или жидкой фазы проблематичным является достижение высоких значений поверхностной концентрации (низкоомного поверхностного сопротивления) для образования p+ или n+ поверхностного слоя p-n (n-p) структуры кристалла ограничителя напряжения. Это обусловлено либо частичным испарением диффузанта (диффузия из твердой фазы), либо ограничением поступления диффузанта к поверхности полупроводника вследствие образования барьерного слоя стекла в процессе диффузии из жидкого источника.

Проблема достижения большой поверхностной концентрации, определяющей резкость ВАХ p-n-переходов, лучшим образом решается при использовании метода диффузии мышьяка в вакууме, то есть в бескислородной среде. В отличие от бора и фосфора мышьяк обладает существенно большей растворимостью в кремнии, а также лучшей совместимостью с кремнием вследствие практически совпадения тетраэдрических радиусов их атомов. Недостаток мышьяка в качестве диффузанта, в сравнении с бором и фосфором, — его относительно небольшой коэффициент диффузии, что увеличивает время диффузионных процессов при формировании достаточно глубоких по требованиям силовой электроники p-n-переходов.

В статье приводятся результаты определения эффективности низковольтных бескорпусных ограничителей напряжения, полученных на основе технологии диффузии мышьяка в эвакуированной ампуле, в сравнении с аналогичными ограничителями, полученными диффузией фосфора, и зарубежных аналогов.

Исследуемые бескорпусные ограничители напряжения (БК ОН) с напряжением пробоя ~8 В получены диффузией мышьяка в сильнолегированный кремний ампульным методом, разработанным и внедренным в серийное производство в ОАО “Foton” [4] (рис. 1а). В качестве омических контактов использованы ванадий с двухслойным нанесением Ag — напылением и гальванически, а также медь с покрытием Ag, обеспечивающие эффективный отвод тепла. Для изготовления бескорпусных ограничителей напряжения применялся кремний марки КДБ 0.008. Типичная вольт-амперная характеристика бескорпусного ограничителя напряжения приведена на рис. 1б.

а) Конструкция бескорпусного ограничителя напряжения

Рис. 1. а) Конструкция бескорпусного ограничителя напряжения: 1 — сильнолегированный кремний; 2 — защитный слой окисла; 3 — омические контакты;
б) прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики ограничителя напряжения

Для сравнения проведены исследования ограничителей напряжения с напряжением пробоя ~8 В: зарубежного аналога — ограничителя напряжения (transient voltage suppressor фирмы SynSemi Semiconductor) типа 1N6268А и ограничителя напряжения типа 2,5ОН8А, полученного диффузией фосфора.

Эффективность функционирования ограничителей напряжения определена на основании результатов исследования зависимости динамического сопротивления образцов от величины обратного тока (рис. 2). Исследования проведены по оригинальной методике, описанной в [5].

Зависимость динамических сопротивлений от величины протекающего тока

Рис. 2. Зависимость динамических сопротивлений от величины протекающего тока для ограничителей напряжения:
1 — образцы БК ОН, 2 — образцы 1N6268А, 2,5ОН8А

Для ограничителя напряжения, изготовленного диффузией мышьяка, наблюдается резкий переход из низкопроводящего состояния в высокопроводящее (рис. 2, кривая 1). А в образцах ограничителей напряжения 2,5ОН8А, изготовленных диффузией фосфора, и в образцах ограничителей напряжения 1N6268А происходит сравнительно плавное изменение зависимости сопротивления от тока (кривая 2). По-видимому, ограничители напряжения 1N6268А изготовлены по аналогичной с ограничителями напряжения 2,5ОН8А технологии.

Физически эти отличия можно связать с качеством p-n-структур, получаемых диффузией мышьяка и фосфора. А именно: вследствие равенства тетраэдрических радиусов атомов As и Si, в отличие от Р, количество дислокаций несоответствия и других кристаллографических дефектов решетки Si в области мышьякового p-n-перехода существенно меньше по сравнению с p-n-переходом, образованным диффузией фосфора.

Соответственно, значения коэффициентов эффективности ограничения напряжения Z, рассчитанных по методике [5]:

для первых образцов с относительно резкой n+p+-структурой, полученной диффузией мышьяка, существенно выше (Z ~ 1,01), чем для p+n+-структур, полученных диффузией фосфора (Z ~ 0,99), что свидетельствует о снижении эффективности использования последних в качестве ограничителей напряжения.

Таким образом, эффективность кремниевых ограничителей напряжения определяется не только конструкцией, но и технологией формирования основного элемента прибора — p-n-структуры.

В НПК «КVARК» (ОАО “Foton”)... разработаны, освоены в производстве и поставляются потребителям более 500 типономиналов полупроводниковых ограничителей напряжения, в том числе на 1,5; 3; 5; 10; 20 кВт импульсной мощности, с напряжением пробоя от 6 до 800 В. Выпускаются модели в корпусе КД-7Е (на 1,5 и 3 кВт), КД-7Ж (на 5, 10 и 20 кВт) и в плоском корпусе DO-214АВ — для поверхностного монтажа (на 3 кВт). В настоящее время разработаны малогабаритные бескорпусные (в виде таблеток, рис. 1) аналоги ограничителей напряжения на импульсные мощности от 1,5 до 3 кВт.

Литература

  1. Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем. http://lantcoder.narod.ru/cir/bp-at.htm
  2. Колосов В. Организация систем вторичного электропитания для современной цифровой электронной аппаратуры. Вып. № 1. 1998. — http://www.electronics.ru/issue/1998/1/15/
  3. Муратов А. Ф., Рахматов А. З., Меркулов А. А., Исмоилов И. Р. Патент РФ № 5328. Способ изготовления кремниевых ограничителей напряжения. Бюллетень № 3 от 30.09.94.
  4. Рахматов А. З., Скорняков С. П., Каримов А. В., Ёдгорова Д. М., Абдулхаев О. А., Бузруков У. М. Физико-технологические аспекты создания низковольтного ограничителя напряжения на основе кремния // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2010. № 5–6.
  5. Рахматов А. З., Абдулхаев О. А., Каримов А. В., Кахоров А. А., Каландаров Ж. Ж., Скорняков С. П. Определение коэффициента эффективности ограничения напряжения диодных структур // Компоненты и технологии. 2011. № 4.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке