Условия обеспечения длительной надежной работы ограничителей напряжения

Для защиты РЭУ от перенапряжений используют, помимо плавких отключающих элементов, специальные защитные приборы: газовые разрядники, металлооксидные варисторы и кремниевые ограничители напряжения (ОН), приобретающие все более широкое распространение.

Ограничитель напряжения (ОН) — силовой прибор, к которому предъявляются специфические требования. В частности, в отличие от элементов защиты разового действия, таких как, например, плавкие предохранители, ОН в большинстве применений должен обеспечивать длительную, в течение минимальной наработки эксплуатацию, рассеивая без существенного ущерба для себя сотни и тысячи паразитных импульсов значительной мощности. Для выполнения этого важного требования к ОН необходимо выполнение нескольких условий. Одно из них связано с принципами конструирования и технологии изготовления ОН. Другое — с правилами эксплуатации.

Кристалл в конструкции ОН помещается между двумя массивными металлическими дисками, предназначенными для эффективного поглощения и рассеяния тепловой волны, источником которой является р-n-переход в момент воздействия импульса перегрузки. Соответственно диски изготавливаются из металлов с высокой теплоемкостью и теплопроводностью: Al, Ag, Cu. Но чаще всего — из меди, покрытой серебром или никелем, что обеспечивает требуемые условия пайки кристалла к дискам.

Толщина теплораспределительных дисков должна быть соизмерима с длиной тепловой волны:

где k — теплопроводность кремния, τ_T — тепловая постоянная времени (τ_T = R_T С), R_T — тепловое сопротивление, С — теплоемкость (С = с × ρ × L × A), с — удельная теплоемкость, ρ — плотность, A — площадь поперечного сечения теплового потока.

Расчетная зависимость длины распространения тепловой волны от длительности импульса в конструкции 1,5-кВт ОН характеризуется значениями, представленными в таблице.

Обычно в конструкции ОН применяют теплораспределительные диски толщиной ~0,5 мм.

Увеличение массы (толщины) дисков заметно повышает предельную импульсную мощность и импульсную наработку ограничителей напряжения. Так, оценка критической мощности и импульсной наработки 20-В (Uпроб.) образцов 1,5-кВт ограничителей напряжения с различной толщиной теплораспределительных дисков (0,5 и 1,5 мм) дает следующее. Критическая импульсная мощность (Ри.кр.), то есть мощность, приводящая к деградации прибора, для образцов с «толстым» диском превышает критическую мощность образцов с «тонким» диском в среднем на 14%. Импульсная наработка образцов с дисками толщиной 1,5 мм возрастает, по сравнению с образцами с толщиной дисков 0,5 мм, почти в пять раз: со 170 импульсов в среднем до 900. Исследование велось при импульсном токе 90 А, то есть при токе, превышающем значение номинального предельно допустимого импульсного тока (Iи. = 54 А), что позволяет сократить длительность эксперимента. Очевидно, что этот прием (утолщение дисков) можно использовать при конструировании ограничителей напряжения с повышенной стойкостью к импульсным перегрузкам.

Вольт-амперная характеристика ОН в области относительно небольших токов идентична ВАХ стабилитронов. В области значительных импульсных токов, характерных для ОН, имеет место существенное отклонение обратной ветви ВАХ ОН от вертикали (рис. 1). Это отклонение характеризуется так называемым коэффициентом перекрытия: Когр = Uогр.и./Uпроб.

Обычно для ОН значение параметра Kогр не превышает величину 1,3, кроме низковольтных ограничителей, то есть ограничителей с Uпроб. менее 7 В, на смягчение ВАХ которых заметно влияет туннельная составляющая обратного тока. В свою очередь, чем больше величина Когр, то есть величина Uогр.и., тем меньше для данной конструкции ОН предельно допустимый импульсный ток. Это же относится и к импульсной наработке.

Так как импульсный ток через ОН может достигать сотен ампер, крутизна обратной ветви импульсной ВАХ ОН определяется не только динамическим сопротивлением р-n-перехода, но и, в значительной степени, падением напряжения на базе, то есть сопротивлением и толщиной базы:

где Uогр.и. — импульсное напряжение ограничения, Iи — импульсный ток, Rд — динамическое сопротивление, Rк, Rв — сопротивления контактов, выводов, ρб — удельное сопротивление базы, Wб — толщина базы, Sp-n — площадь р-п-перехода.

Поэтому одним из принципов конструирования и технологии изготовления кристалла ОН следует считать принцип «тонкой» базы: чем тоньше относительно высокоомный базовый слой, тем меньше последовательное сопротивление и, соответственно, падение напряжения на базе, то есть выделение на базе греющей мощности. Особенно это ощутимо при воздействии предельных по мощности коротких (τ_и ≤ 100 мкс) импульсов, характеризующихся в предельно допустимых режимах амплитудными значениями импульсного тока до нескольких кА.

Наилучшим образом основным требованиям к кристаллу ОН, в частности к выполнению принципа «тонкой» базы, отвечает технология толстослойной (20ч30 мкм) эпитаксии на сильно легированной подложке.

Тем не менее, более широкое распространение в производстве ОН получил диффузионный способ формирования р-n-структур ограничителей напряжения. Недостаток этого способа изготовления кристаллов ОН — относительно большая величина базы. Однако анализ экспериментальных данных для диффузионных и эпитаксиальных структур с идентичными значениями Uпроб., изготовленных на кремнии n-типа проводимости, свидетельствует о существенном превышении базовых сопротивлений эпитаксиальных структур (ЭС) над базовыми сопротивлениями диффузионных структур (ДС). Так, соотношение удельных сопротивлений ЭС и ДС для Uпроб. ~100 В выглядит следующим образом 1,5:0,3, то есть отличается в ~5 раз! Причина — более плавное распределение легирующей примеси (меньший градиент) в диффузионном р-n-переходе, чем в эпитаксиальном. Относительно резкий эпитаксиальный р-n-переход с глубиной ~20 мкм формируется в режиме кратковременного (~60 мин) низкотемпературного (~1160 °C) процесса. Диффузионные р-n-структуры ОН формируются при температурах порядка 1200…1250 °С в течение 24–60 ч. То есть требование к толщине базового слоя диффузионных структур может быть существенно мягче, чем в случае эпитаксиальных структур.

Анализ классических зависимостей удельного сопротивления n- и р-Si от концентрации основных легирующих примесей, фосфора и бора соответственно [1], приводит к выводу о существенном различии удельных сопротивлений базового слоя р-n-структур, изготавливаемых на n- и р-Si, с равными значениями Uпроб. Эксперименты вполне подтверждают это заключение. Например, удельные сопротивления n- и р-Si для кристаллов с Uпроб. 40 В отличаются в два раза. Для более высоковольтных структур это различие значимо еще более. Таким образом, принцип низкоомной базы р-n-структур ОН лучше всего выполняется для кремния n-типа проводимости.

Целесообразно также формирование р-n-перехода ОН на максимально возможной глубине. Вероятный основной механизм деградации ОН при воздействии мощных импульсов тока связан с накоплением механических напряжений в области спая кристалла с диском, которые возникают под действием тепловой волны, распространяющейся из области р-n-перехода. Кремниевый р-n-переход способен выдерживать воздействие очень высоких температур. При кратковременных импульсных воздействиях значения этих температур могут даже превышать температуру плавления кремния [2]. Но для больших по мощности импульсов возможно расплавление припоя в области спая, даже несмотря на кратковременность их воздействия.

Таким образом, в процессе импульсных воздействий припой подвергается циклическим воздействиям «нагрев-охлаждение». В области спая накапливаются механические напряжения. Достигая некоторой критической величины, эти напряжения воздействуют на кристаллическую решетку прилегающего к спаю кремния, что в результате приводит к деградации (необратимому изменению параметров, тепловому пробою) p-n-переходов. И это воздействие будет тем значительнее, чем ближе р-n-переход к поверхности кристалла. Для силовых диодов идеальным считается расположение р-n-перехода в середине кристалла [3].

Важным условием обеспечения длительной работы ОН является выполнение также определенных правил их эксплуатации.

Несмотря на то, что ОН конструируются в расчете на некоторый запас предельно допустимой импульсной мощности, эксплуатация их в этом режиме крайне нежелательна. В «Руководстве по применению полупроводниковых приборов» ОСТ 11.336.907.0-79 настоятельно рекомендуется для обеспечения эксплуатационной надежности полупроводниковых приборов не превышать уровень 0,7–0,8 от предельно допустимых режимов, в частности по такому параметру, как предельно допустимая мощность. Именно этим принципом должны руководствоваться потребители ОН. Исследование фактической импульсной наработки 1,5-кВт ОН при воздействии импульсов на уровне 0,8 Римп.макс. гарантирует импульсную наработку не менее 800 импульсов, а снижение импульсного тока до уровня 0,5 Римп.макс. гарантирует надежность прибора для ~104 импульсов перегрузки (рис. 2).

То есть при необходимости гарантированного длительного применения ОН для ограничения значительного количества импульсов перегрузки с Римп. на уровне, скажем, 1,5 кВт потребителю необходимо воспользоваться трех- или пятикиловаттными ограничителями напряжения.

Заключение

Рассмотрены физические принципы обеспечения импульсной стойкости кремниевых ограничителей напряжения — полупроводниковых приборов эффективной защиты РЭА от импульсов перенапряжения многоразового действия. Показано, что повышению импульсной стойкости ОН способствуют определенные принципы их конструирования и выполнение определенных правил эксплуатации. В частности, выполнение принципа «тонкой» базы и применение ОН на уровне не более половины предельно допустимой импульсной мощности.

Литература

1. Irvin J. C. Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in Silicon // Bell Syst. Thech. J. 1958. No 37, p. 711.
2. Блихер А. Физика тиристоров. Л.: Энергоиздат, 1981.
3. Лаев С. А. Исследование лавинного пробоя кремниевых р-n- и р-n-р-структур в широком диапазоне напряжений и токов и разработка мощных ограничителей напряжения и стабилитронов. Диссертация. М., 1973.