Основным элементом приборов большой мощности обычно является тонкая одно-кристаллических кремниевая пластина диаметром 75-125 мм, а иногда и 150 мм в диаметре. Прибор на базе пластины одного и того же диаметра может выполняться на высокое напряжение и маленький ток, или наоборот.
Диоды - это группа двухслойных устройств с односторонней проводимостью. Направление проводимости в диодах имеет место от анода к катоду (в прямом направлении), когда анод имеет положительную полярность относительно катода. В данных устройствах не предусмотрена возможность управления проводимостью в прямом направлении. Однако существует возможность запирания диода в обратном направлении, при положительной полярности напряжения катода относительно анода. Диод является важным элементом в нескольких устройствах FACTS.
Диодом называется прибор с одиночным соединением p и n слоев кремниевой пластины (Рис.1 (b)).
Условное обозначение диода показано на Рис.1(а), а на Рис. 1(b) представлен поперечный разрез его структуры, состоящей из нескольких слоев.
Рис. 1. Диод: (a) условное обозначение, (b) и (c) структуры диодов.
Повсеместное использование диодов в устройствах FACTS объясняется их следующими свойствами:
- Диодный преобразователь может использоваться как простое, дешевое и эффективное устройство для преобразования активной мощности в установках FACTS.
- Диод включается встречно – параллельно с каждым отключаемым тиристором в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, а также для связи промежуточных уровней многоуровневых преобразователей напряжения (рассматриваемых в разделе П3).
- Включение диода может осуществляться последовательно с каждым отключаемым тиристором для блокирования обратного напряжения (раздел П4).
- Диоды могут использоваться в управляющих и демпфирующих цепях.
C уверенностью можно сказать, что почти половина приборов, используемых в устройствах FACTS, являются диодами
Диодом называется прибор с одиночным соединением p и n слоев кремниевой пластины (Рис.1 (b)).
Слой р характеризуется дефицитом электронов (в качестве основных носителей заряда в этом случае выступают дырки), и, аналогично, в n слое наблюдается их избыток, и в этом слое электроны являются основными носителями. Как ранее упоминалось, эти p и n слои получены путем добавления примесей в кремниевый слой. При приложении напряжения к диоду, которое обеспечивает отрицательную полярности р слое и положительную полярности n, происходит генерация носителей электрического заряда, которые участвуют в процессе проводимости, таким образом объясняется процесс односторонней проводимости через рn переход (диод). Под действием внешней силы осуществляется движение дырок из p слоя в n слой через их соединение и электронов из р слоя в n. Однако, если к диоду приложить напряжение обратной полярности, то происходит движение дырок и электронов от поверхности соединения р и n слоев, таким образом, создается внутреннее встречное поле, которое препятствует протеканию тока. Более подробное объяснение принципа действия диода необходимо для лучшего понимания процессов, происходящих в устройствах, состоящих из нескольких рn переходов.
Движение электронов и дырок обусловлено двумя физическими процессами:
- Диффузией, вызванной различной концентрацией носителей заряда
- Упорядоченным движением, вызванным приложением внешнего напряжения
Без приложения внешнего напряжения, pn переход обладает очень маленьким электрическим полем (меньше, чем 1 В). Создание этого поля обусловлено диффузией небольшого числа дырок из p слоя в n и электронов из n слоя в p. На границе раздела, с обоих ее сторон, формируется пространственный заряд, который создает электрическое поле, направление которого препятствует созданию вакантных мест для электронов и дырок, участвующих в процессе диффузии. Это маленькое электрическое поле характеризуется положительной полярностью на р слое и отрицательной на n слое. Когда анод имеет положительную полярность относительно катода, осуществляется движение электронов от n к p и дырок от p к n слою. Как только происходит преодоление барьера, созданного малым электрическим полем, обусловленным диффузией носителей с напряжением меньше чем 1В, в элементе осуществляется протекание большого тока, вызванного упорядоченным движением зарядов под действием положительного задающего напряжения. Падение напряжения будет увеличиваться с увеличением тока, величина которого определяется сопротивлением кремния, и составляет примерно 1,5-3,0 В при номинальном токе.
В случае, когда катод приобретает положительную полярность относительно анода, происходит отток электронов от границы раздела в n слое, и дырок от границы в p слое. Таким образом, создается сильное электрическое поле около границы раздела слоев, которое характеризуется положительной полярностью на катоде и отрицательной на аноде, противодействующее внешнему полю, то есть, в диоде (идеальном) отсутствуют какие-либо механизмы переноса заряда.
Область формирования электрического поля на границе раздела слоев получила название, область обеднения (истощения). При более высоком добавлении примесей, поле является более интенсивным и поэтому область обеднения (истощения) является более тонкой и наоборот. В пределах области истощения, максимальное значение поля наблюдается в области соединения двух слоев. При увеличении обратного напряжения, область истощения будет увеличиваться, по существу, на стороне n-, и диод может пробиться, если обратное напряжение будет достаточно велико для увеличения обедненного слоя до полной ширины n- области.
В состоянии проводимости, когда дырки пересекают границу раздела и входят в n слой, они становятся неосновными носителями заряда. Точно так же, как и электроны, переходя из n в p область, становятся неосновными носителями. Таким образом, прибор является устройством, базирующемся на неосновных носителях заряда, поскольку носители заряда, обусловленные добавлением примесей, преобладают в осуществлении проводимости.
В мощных диодах n-типа (Рис. 1 (c)), в слой p вводиться большое количество примесей (p+), что приводит к очень узкой обедненной области на стороне p+, а в слой n около границы раздела вводиться небольшое количество примесей (n-), что приводит к широкой области обеднения на сторонt n-. Когда к диоду прикладывается обратное напряжение (т.е. катод имеет положительную полярность относительно анода), на стороне n- происходит большее расширение, чем на p стороне. Поэтому сторона n- становиться более широкой и удерживает почти все обратное напряжение. Следовательно, в слой n- необходимо вводить небольшое количество примесей, так как внутренние носители заряда будут составлять значительную часть носителей n- слоя. Увеличение толщины прибора выполнено с целью увеличения возможного обратного напряжения прибора в соответствии с расширенным обедненным слоем. Увеличение толщины, в свою очередь, увеличит сопротивление прибора и постоянные потери проводимости. Слой n- называют областью проводимости, так как кроме фактического обедненного уровня, соответствующего приложенному обратному напряжению, процесс переноса заряда осуществляется с помощью диффузии, обусловленной тепловым движением, небольшого количества носителей через n- слой большой толщины. Почти все кремниевые диоды разработаны с максимально возможной шириной n области.
В диодах большой мощности, также осуществляется добавление большого количества примесей в n слой (n+) на достаточном расстоянии от р-n перехода, к которому осуществляется подключение катода (Рис.1 (c)). Области p+ и n+ находящиеся по концам устройства, характеризуются большим количеством примесных носителей заряда, для избежания расширения области обеднения при приложении обратного напряжения вплоть до металлического электрода. Другой важной функцией n+ слоя является то, что при достижении обедненного слоя границы n+ слоя, напряженность вдоль n- слоя будет выравниваться и , таким образом, возможно приложении более высокого напряжения. Данный процесс называется операцией перфорации, он позволяет для тех же значений обратного напряжения уменьшить толщину n- слоя и, следовательно, уменьшить постоянные потери. Постоянные потери, также уменьшаются из-за возможности участия в процессе проводимости в прямом направлении носителей заряда из n+ слоя. Большое содержание примесей в n слое, находящемся рядом с анодным электродом, характерно и для ряда других устройства, описанных ниже.
Для диодов большой мощности, также как и для других энергетических кремниевых силовых установок, края устройства специально обработаны (физически и путем добавления присадок) и изолированы, для предотвращения пробоев по краям. Это необходимо, так как уровень электрической прочности среды вблизи краев пластины намного ниже (порядка 1/10), чем прочность полупроводниковых слоев прибора. В данном отчете не рассматриваются вопросы перехода от кремниевой пластины к внешней среде (пассивация), так как они сами по себя являются достаточно сложными. Кожух устройства обеспечивает герметичность и жесткость соединения кристаллических слоев и необходимую внешнюю изоляцию между анодом и катодом, а также хороший термический контакт между пластиной и внешней конструкцией прибора, для эффективного отвода тепла изнутри к внешней стороне. Обеспечение сборки прибора, которая эффективно сочетает в себе комбинацию электрических, тепловых и механических нагрузок, является главной проблемой для всех мощных электронных приборов.
Обычно, при практическом применении, когда ток в цепи становиться равным нулю, диодное напряжение скачкообразно принимает некоторое отрицательное значение. Данное изменение напряжения вызывает кратковременный (микросекунды или десятки микросекунд) ток в обратном направлении, что вызывает движение внутренних избыточных зарядов и восстановление обедненного слоя, соответствующему приложенному обратному напряжению. Этот обратный ток в диодах приводит к увеличению тока, необходимого для включения отключаемых приборов в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, что в свою очередь увеличивает потери включения этих приборов. Поэтому диоды, используемые в преобразователях, выполненных на базе источника напряжения, включаемые параллельно отключаемым приборам должны характеризоваться быстрой способностью отключения и маленьким накопленным зарядом. Для увеличения скорости срабатывания и уменьшения накопления заряда были разработаны усовершенствованные типы диодов с помощью специальной технологии добавления присадок. Улучшение характеристик диодов с помощью уменьшения обратного тока в выключенном состоянии окажет существенное влияние на стоимость преобразователей, выполненных на базе источников напряжения.
Источник:Hingorani N., Gyugyi L. «Understanding FACTS» - IEEE Press - Wiley, 2000. (Chapter 2. «Powersemiconductordevices»)
