ния этой проблемы в [Mimura е. а., 1985] предложено использовать структуру Si02 - полуизолирующий поликристаллический кремний - Si02. При пассивации кремниевый переход сначала покрывается слоем термически выращенного оксида, на который затем наносится полуизолирующий поликристаллический кремний.

В этом случае ток утечки меньше, чем при традиционной пассивации с применением полуизолирующего поликристаллического кремния. Кроме того, возможно дальнейшее снижение тока утечки в результате геттерирования слоя термического оксида под полуизолирующим поликристаллическим кремнием путем осаждения фосфоросиликатного стекла. Это улучшение объясняется меньшим током, генерируемым на поверхности, что связано с применением более чистого процесса термического оксидирования при формировании первого слоя, а не химического осаждения из газовой фазы поликристаллического кремния.

5.8.4. Кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды

Рассмотренные твердые пассивирующие материалы могут быть использованы в корпусах с недостаточно надежной герметизацией, например пластмассовых. Мягкие же пассивирующие материалы, к которым относятся кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды, предназначаются, как правило, для применения в герметичных корпусах.

У низковольтных приборов они наносятся на выход перехода или фаску, сформированную путем механической обработки. Фаска предварительно подвергается химическому травлению с целью удаления механических повреждений на поверхности и химической очистке для устранения каких-либо ионных загрязнений. Материалы для мягкой пассивации наносятся в жидком виде, например, с помощью шприца, а затем отверждаются при температурах не выше 300° С.

В связи с низкой температурой отверждения их можно наносить после металлизации тиристора. Другим преимуществом этого метода является стойкость покрытий к термической усталости. В перспективе не исключается их применение в качестве пассивирующих слоев для тиристоров, рассчитанных на сильные токи и высокие напряжения, когда выход перехода на фаску занимает большую поверхность.

В то же время мягкие пассивирующие материалы очень чувствительны к ионным загрязнениям, особенно поступающим с влагой. Однако рассматриваемая проблема более актуальна для кремнийорганических каучуков, чем для смол и полиимидов. Мягкие материалы для пассивации обычно не используются в корпусах с недостаточно надежной герметизацией. В первую очередь это относится к пластмассовым корпусам, а также содержащим наполнители, которые могут способствовать попаданию в

пассивирующие слои ионных примесей, например натрия. Для высоковольтных приборов с корпусами из стекла и металла или металлокерамики, заполненными инертными газами, мягкие пассивирующие материалы предпочтительнее, так как в этом случае обеспечиваются высокая надежность и устойчивые характеристики в течение длительного периода эксплуатации прибора.

Глава 6

ТЕПЛОВОЕ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

6.1. Тепловые свойства

Во время работы мощного тиристора выделяется тепло, обусловлен1ое рассеянием электрической мощности при различных переходных процессах и условиях установившегося состояния. При работе на низкой частоте основной источник мощности рассеяния - это прямое падение напряжения и ток в открытом состоянии. Источником мощности рассеяния являются также блокирующее напряжение и ток утечки в закрытом состоянии.

На высоких частотах, особенно свыше 500 Гц, становятся весьма существенными коммутационные потери, связанные с переходным процессом включения и выключения тиристора. Еще одним источником тепловой энергии являются управляющий ток и управляющее напряжение при включении и в состоянии проводимости тиристора, а также при выключении запираемого тиристора. Необходимо удалить тепло из тиристора со скоростью, по крайней мере равной той, с которой оно выделяется при нагревании, для того чтобы предотвратить развитие ситуации неуправляемого возрастания мощности. Особенно важно обеспечить выполнение условия термического равновесия, когда выделяемая мощность равна рассеиваемой мощности, когда температура не превышает 125° С. Если температура тиристора выше 125° С, то тепловой генерационный ток утечки может вызвать переключение прибора неконтролируемым способом и соответственно затем его разрушение. Тепловые характеристики тиристора обусловливают превращение электрической энергии в тепловую и то, каким образом тепло отводится от прибора.

В установившихся режимах повышение температуры тиристора определяется исходя из обшей мощности рассеяния прибора, теплового сопротивления тиристора и его системы охлаждения. Например, если Р - рассеиваемая мощность, R,i, - тепловое сопротивление тиристора между кремнием и охлаждающей поверхностью или охладителем, то повышение температуры кремния выше температуры охладителя определяется выражением

AT=R>,P. (6.1)

Температурой кремниевого тиристора в общем случае называется температура перехода или, наиболее корректно, мгновенная эффективная температура перехода. Эта характеристика позволяет избежать точного измерения максимальной температуры тиристора. В открытом состоянии, например, у тиристора три перехода смещены в прямом направлении, а инжекция дырок и электронов в поперечном сечении этих переходов вызывает либо выделение тепла, либо его поглощение. Оба эти процесса обусловлены термоэлектрическими эффектами [Jaumot, 1958].

Когда тиристор выключен, ток утечки обычно распределяется неоднократно вдоль прибора, образуя локальный нагрев, в то время как при его включении и выключении ток в основном концентрируется в особых областях прибора (вблизи управляющего электрода при включении или в областях с большим временем жизни неосновных носителей заряда при выключении).

Поскольку невозможно знать точное распределение температуры в тиристоре, за фактическую температуру перехода принимается температура в плоскости, параллельной основному блокирующему переходу прибора и находящейся в его центре. Данное утверждение справедливо только в том случае, когда длительность прикладываемого импульса тока значительно больше, чем время распространения тепла через прибор. Последнее, например, обычно меньше 1 мкс для толщины кремниевого прибора 250 мкм [Blicher, 1976].

Если к тиристору приложить короткий импульс тока, то можно определить временную зависимость теплового сопротивления. Кривая временной зависимости теплового сопротивления показывает, что для коротких импульсов значение теплового сопротивления значительно меньше, чем для импульсов установившейся длительности. Это происходит потому, что прибор обладает тепловой емкостью Cih (аналогичной электрической емкости) и температура не будет достигать своего максимального значения, если импульс, подводящий тепло, меньше по амплитуде, чем тепловая постоянная:

i.n = R,HCa (6.2)

где Rit, - тепловое сопротивление тиристора в стационарном состоянии.

Как тепловое сопротивление, так и тепловую емкость можно рассчитать с помощью следующих выражений для материала массой т, удельной теплоемкостью Sp, теплопроводностью Kih и для теплового потока, направленного вдоль длины z перпендикулярно площади А:

= 76 ,

Cif, = Spm. (6.4)