Перед тем, как дать определение лавинного диода, разберемся с понятием  лавинного пробоя p-n-перехода, потому как именно на нем основывается работа этого прибора, который является разновидностью стабилитрона и использует зенеровский пробой, правильнее назвать полупроводники с напряжением пробоя больше 5 В – лавинными диодами.

Понятие лавинного пробоя

Лавинный пробой инициируется сильным электрическим полем, им обладают полупроводники с p-n-переходом с большой толщиной. Неосновные носители, дислоцированные в переходе, забирают для себя основную функцию, при разгоне они ионизируют атомы. Новые электроны, а в основном это электроны теплового происхождения, сталкиваясь с атомами кремния, расположенными по соседству, вызывают лавинообразный рост всего процесса, создают новые пары электрон-дырка.

Действие пробоя обладает свойством обратимости и происходит без каких-либо последствий разрушительных для кристаллической структуры полупроводникового прибора, особенно если постараться не допустить перегрева прибора  и ограничить величину тока. Значение напряжения для лавинного пробоя варьируется в границах значений от 5 до 1000 В, зависит от конструктивных особенностей диода и уровня легирования кремния.

Оптимизация лавинного диода

Мощные лавинные диоды марки ДЛ153-2000 используются в трехфазных преобразователях, частота, в которых доходит до 500 Гц, они служат для выпрямления напряжения мощных турбогенераторов с мощностью до 320 МВт. Для снижения рабочих температур (допустимое значение 175^оС)  в длительном (номинальном) режиме и режиме форсировки при частоте 500 Гц необходимо принимать определенные меры. Понижение рабочего ресурса преобразователя и экспоненциальном (пропорциональном значению величины — скорости роста) росте интенсивности отказов из повышения температуры кремниевой структуры.

В программу исследований по снижению потерь мощности и понижению температуры включены следующие исследования:

1. Использование радиационных дефектов для легирования кремниевой структуры диода.
2. Измерение времени жизни носителей заряда способом Лэкса;
3. Контроль параметров статики и динамики диодов.
4. Нахождение полной мощности потерь и температурных величин структуры диода с присоединенным охладителем.

Результат исследования оптимизации, с помощью облучения кремниевой структуры полупроводникового прибора с помощью ускоренных электронов, показал улучшение системы параметров. Суммарная мощность потерь уменьшилась во всех рабочих режимах на 37%, а температура понижена на 28%. Результат подтвердил эффективность облучения структуры для получения надежных силовых полупроводниковых приборов.

Лавинно-пролетный диод

Разновидность лавинного диода – лавинно-пролетный диод (IMPATT-диод). Он построен на основе лавинного умножения заряженных носителей. Прибор используется для генерации колебаний в СВЧ-диапазоне. Рабочая область прибора – область лавинного пробоя.

Структура состоит из кремния и арсенида галлия (металл-полупроводник) и другие. В базе диода, области заполненной электронами и дырками с неизменным значением тока возникает фаза, которая характеризуется большим значением напряженности поля, она предваряет появление лавинного ударного фронта.

Главный режим лавинно-пролетного диода – режим захваченной плазмы, состояние компенсированной полупроводниковой плазмы.  Существует отдельный тип подобных диодов  — BARITT-диоды, их характеризует инжекционно-пролетный режим.

Показатели технологического качества для конструкции лавинного диода

Основное преимущество лавинного диода перед выпрямительным в способности восстанавливать   параметры в результате больших перенапряжений, в то время как вторые разрушаются и выходят из строя.

Требования к качеству конструкции включают:

1. В процессе изготовления диодов плотность дислокации кремния большого диаметра выше 60 мм, ограничивается до 10²см².
2. Свирла-дефекты исключаются.
3. Ограничивается содержание О₂ и С в кремнии, который преобразуется в сложные комплексы Si-O и Si-C.
4. Примесная атмосфера из примесей тяжелых и щелочных металлов на дислокациях существенно уменьшается.
5. Существующие, так называемые «звездные дефекты», в виде микротрещин появляющихся в результате термической обработки в напряженном кремнии и ухудшающими ВАХ прибора, значительно снижаются.

Что необходимо для лавинного p-n-перехода

1. Качественный кремний, который обладает отсутствием структурных дефектов в виде дислокаций, свирл-дефектов, незначительным содержанием примесных атомов и небольшим разбросом удельного сопротивления.
2. Технологическая обработка не должна наносить повреждения кристаллической решетке, диффузия щелочных и тяжелых металлов должна быть ограниченна, а примесные атмосферы не должны появляться. И недолжна генерироваться локальная область дислокаций и упругого перенапряжения.
3. Механические перенапряжения должны быть исключены.
4. ОПЗ и приконтактная область не должны смыкаться. Небольшая напряженность электрического поля должна обеспечиваться защитой, качественным травлением и геометрией фаски.

Лавинный диод способен обеспечить надежность электрической схемы и позволить снизить мощность применяемого диода, достигается это тем, что защитную роль от пробоя принимает лавинный ток, а не использование добавочного запаса по обратному напряжению силового диода.

Источник: https://elektronchic.ru/