白天旭， 張小玲， 謝雪松， 王偉巖

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部， 北京 100124）

0 引言

電子加速器是利用電磁場將正負(fù)電子、 質(zhì)子和輕重離子等帶電粒子加速的裝置。 人們起初利用電子加速器來探索原子結(jié)構(gòu)， 而現(xiàn)在它的應(yīng)用已經(jīng)涉及方方面面， 例如： 工業(yè)方面的工業(yè)探傷、輻照加工； 農(nóng)業(yè)方面的良種培育、 食品輻照保鮮；醫(yī)療方面的放射治療、 醫(yī)療設(shè)備殺菌等等[1]。

串聯(lián)二極管是高壓電子加速器產(chǎn)生高電壓的主要結(jié)構(gòu)， 為了獲得高電壓， 常常將數(shù)十個(gè)甚至幾百個(gè)二極管串聯(lián)起來使用。 由于電路中寄生參數(shù)影響和二極管本身參數(shù)的不均勻性， 會(huì)使得串聯(lián)的二極管之間的電壓分布不均勻， 一旦有一只二極管被擊穿， 就會(huì)導(dǎo)致其他二極管被連鎖擊穿[2-3]。因此提高串聯(lián)二極管的可靠性是一個(gè)重要議題。

文獻(xiàn)[3] 詳細(xì)地分析了串聯(lián)二極管反向運(yùn)行時(shí)的等效電路， 認(rèn)為電路中的分布電容是產(chǎn)生電壓不均的主要因素； 文獻(xiàn)[4-5] 研究了串聯(lián)的二極管靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作時(shí)電壓不均的原因， 其采用并聯(lián)均壓電阻和均壓電容的方法來進(jìn)行電壓均衡；文獻(xiàn)[6] 研究了機(jī)械振動(dòng)、 負(fù)載特性和二極管參數(shù)對(duì)串聯(lián)二極管的影響， 得到故障由感性負(fù)載特性和二極管的反向恢復(fù)特性不一致等因素共同導(dǎo)致； 文獻(xiàn)[7-8] 都認(rèn)為串聯(lián)二極管動(dòng)態(tài)工作時(shí)的電壓不均是由于二極管反向恢復(fù)特性的不一致性所導(dǎo)致。

雖然人們已經(jīng)對(duì)串聯(lián)二極管進(jìn)行了一些研究，但是只從電路的角度進(jìn)行分析， 給出電壓、 電流的分配情況， 以及對(duì)電壓不均勻的問題進(jìn)行解決。本文從新的角度出發(fā)， 觀測電路經(jīng)過一段時(shí)間的工作后二極管內(nèi)部的電學(xué)特性變化情況， 對(duì)比串聯(lián)二極管參數(shù)的退化程度， 找出導(dǎo)致串聯(lián)二極管發(fā)生損壞的根本原因， 給出提高串聯(lián)二極管可靠性的方法。

1 電子加速器的工作原理

倍壓高壓加速器是電子加速器的一種， 由于其能夠輸出高強(qiáng)度的電子束， 并且有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉和制造較容易的特點(diǎn)， 因而在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 倍壓高壓電源是加速器的核心部件， 它是利用倍壓整流電路實(shí)現(xiàn)電壓放大的。 以二倍壓整流電路為例， 其原理圖如圖1所示。 該電路的工作原理如下： 當(dāng)變壓器上正下負(fù)時(shí)， 二極管D1、 D2導(dǎo)通， D3、 D4截止， 電流將C1充電至當(dāng)變壓器上負(fù)下正時(shí)， 二極管D3、 D4導(dǎo)通， D1、 D2截止， 這時(shí)， C1與電源串聯(lián)起來共同對(duì)電容C2充電， C2上得到的電壓基本上就是了[9-10]。

圖1 二倍壓整流電路示意圖

從原理圖中可以得知， 串聯(lián)二極管在電子加速器中交替承受正反向電壓。 而且在實(shí)際的電子加速器中， 串聯(lián)的二極管可達(dá)上百個(gè)， 是容易發(fā)生損壞的結(jié)構(gòu)。 因此本文以串聯(lián)二極管作為研究目標(biāo)， 通過老化試驗(yàn)研究其在正反向脈沖應(yīng)力下的退化情況。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選用的二極管的型號(hào)與電子加速器中所用的二極管一致， 為BYV26D 型PIN 二極管， 其正向?qū)妷簽?.4 V， 反向擊穿電壓為900 V，反向漏電流在微安級(jí)。 利用IGBT 全橋電路產(chǎn)生正負(fù)方波脈沖電壓[11]， 通過升壓變壓器將電壓升高到3 000 V， 然后串聯(lián)限流電阻后施加到10 只串聯(lián)二極管的兩端， 使得每只二極管能夠交替工作于正向電壓1 V， 反向電壓300 V 的條件， 電路的原理圖如圖2 所示。 每工作30～40 h， 就分別測量每只二極管的正反向I-V 特性， 測試的環(huán)境溫度為22±0.5 ℃， 為了防止周圍的電磁對(duì)測量產(chǎn)生影響， 每次測試都把二極管放在屏蔽盒中進(jìn)行。 測量二極管的正向特性所用的儀器為KEITHLEY 4200-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀， 測量反向特性所用的儀器為Tektronix 370A 晶體管圖示儀。

經(jīng)過300 h 的交流脈沖應(yīng)力退化實(shí)驗(yàn)之后， 10只二極管的正反向I-V 特性均發(fā)生了一定程度的變化。 以7 號(hào)二極管為例， 其在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的正向I-V 特性如圖3 所示。 可見二極管的正向小電壓段的電流隨退化時(shí)間是增加的， 且變化超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。 通過對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)其他9 只二極管的正向I-V 特性也有同樣的變化規(guī)律。 取正向電壓1 V對(duì)應(yīng)的電流， 繪制電流隨退化時(shí)間的變化曲線，如圖4 所示。 可見正向大電壓段的電流隨退化時(shí)間是先增大后減小的。

通過測量二極管的反向特性， 發(fā)現(xiàn)10 只二極管的反向漏電流也是隨退化時(shí)間逐漸地增大的，取500 V 電壓對(duì)應(yīng)的反向漏電流繪制電流隨退化時(shí)間變化的曲線， 如圖5 所示。

圖2 IGBT 全橋電路示意圖

圖3 半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下7 號(hào)二極管的正向I-V 特性

圖4 正向電壓1 V 對(duì)應(yīng)的電流隨退化時(shí)間變化的曲線

圖5 反向電壓500 V 對(duì)應(yīng)的漏電流隨退化時(shí)間變化的曲線

3 分析與討論

由于二極管的理想因子能夠反映出內(nèi)部產(chǎn)生、復(fù)合電流的比例與二極管品質(zhì)的優(yōu)劣相關(guān)。 因此本文以理想因子作為退化參數(shù)， 對(duì)交流脈沖應(yīng)力下串聯(lián)二極管的退化情況進(jìn)行描述。

在考慮了串聯(lián)電阻的情況下， 二極管的電流電壓方程為[12]：

式（1） 中： RS——串聯(lián)電阻；

n——理想因子；

k——玻爾茲曼常數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度；

q——電子電荷量。

將式（1） 等號(hào)兩邊同時(shí)對(duì)I 求導(dǎo)數(shù)， 再乘以電流I， 可得：

通常情況下， 利用二極管正向I-V 特性的中等電壓段來擬合理想因子， 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的二極管即為正向電壓0.33～0.54 V 段， 通過擬合計(jì)算， 隨機(jī)選取5 只二極管繪制出理想因子n 隨退化時(shí)間變化的曲線如圖6 所示。 由圖6 可見， 10只二極管中等電壓段的理想因子是隨退化時(shí)間逐漸地增大的， 這與正向小電壓段和反向電流的變化情況的符合度較好。 理想因子的增大意味著二極管內(nèi)部復(fù)合電流的成分增加， 這種現(xiàn)象主要是高反向電壓造成的。 在高電壓下， 載流子會(huì)獲得足夠的能量， 高能量的載流子會(huì)對(duì)有源區(qū)造成缺陷，這些缺陷在二極管中作為非輻射復(fù)合中心[13-14]，并隨著時(shí)間逐漸地增加， 導(dǎo)致二極管的非輻射復(fù)合電流增大， 并可能引起陷阱輔助隧穿效應(yīng)[15]。最終二極管的I-V 特性表現(xiàn)為正向小電壓段的電流和反向漏電流隨退化時(shí)間逐漸地增加。

圖6 中等電壓段理想因子隨退化時(shí)間變化的曲線

然而， 圖6 中的理想因子并不能反映出二極管正向大電壓段的電流先增大后減小的行為。 因此考慮擬合出二極管正向大電壓段（≥0.54 V） 的理想因子， 隨機(jī)地選取其中的5 只二極管， 繪制大電壓段理想因子隨時(shí)間變化的曲線如圖7 所示。可見， 大電壓段的理想因子是隨退化時(shí)間先減小后增大的， 因此大電壓段的理想因子更能反映出大電壓段的退化情況。

通過對(duì)比圖4 和圖7， 可以看出大電壓段的理想因子與電流恰好有相反的變化趨勢。 大電壓段的電流主要受到串聯(lián)電阻的影響， 因此認(rèn)為是歐姆接觸發(fā)生退化導(dǎo)致的這種現(xiàn)象。 由于在Si 的表面存在著一層天然的SiO2膜， 使得在制作歐姆接觸時(shí)， Al 與Si 的接觸界面是不均勻的[16]。 在器件工作的初期， Al 會(huì)在脈沖應(yīng)力的作用下穿透SiO2膜， 使器件形成良好的歐姆接觸。 另外， 由于器件的歐姆接觸不良， 會(huì)增加器件表面的局部發(fā)熱。重復(fù)的電流脈沖會(huì)引起二極管發(fā)熱， 從而在器件工作的前幾十個(gè)小時(shí)使歐姆接觸發(fā)生退火。 這種自退火也可以改善歐姆接觸， 最終使二極管的正向電壓穩(wěn)定， 從而導(dǎo)致正向電流逐漸地增大[17]。隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行， 歐姆接觸層中的金屬鋁逐漸地被沖擊出來， 發(fā)生電遷移， 破壞了良好的歐姆接觸[18]， 使得電流逐漸地減小。

通過對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)10 只二極管的退化程度是不同的。 串聯(lián)二極管電路存在寄生參數(shù)， 導(dǎo)致位于兩端的二極管分擔(dān)的電壓高， 位于中間的二極管分擔(dān)的電壓低[5]， 這會(huì)使得位于兩端的二極管發(fā)生退化的程度最大， 而本實(shí)驗(yàn)中所觀察到的退化并不符合這個(gè)規(guī)律。 因此二極管本身參數(shù)的不均勻性也是影響其退化程度的重要因素， 如正反向電流較小的二極管在串聯(lián)工作時(shí)會(huì)承受更高的電壓； 反向恢復(fù)時(shí)間最小的二極管會(huì)首先承受電壓。另外， 二極管的制造過程中也會(huì)有一些對(duì)退化有影響的因素， 如本文提及的歐姆接觸退火不充分。以上3 點(diǎn)原因綜合起來， 造成了串聯(lián)二極管容易失效的結(jié)果。

圖7 大電壓段理想因子隨退化時(shí)間變化的曲線

4 結(jié)束語

本文對(duì)用于電子加速器的串聯(lián)二極管進(jìn)行了交流脈沖應(yīng)力下的退化實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果表明： 重復(fù)的反向高壓和正向電流脈沖會(huì)在二極管中引入缺陷，增加二極管的非輻射復(fù)合電流， 中等電壓段的理想因子表現(xiàn)為逐漸地增大； 器件歐姆接觸會(huì)在工作的前幾十小時(shí)逐漸地改善， 然后也開始退化，大電壓段的理想因子表現(xiàn)為先減小后增大。

導(dǎo)致串聯(lián)二極管容易發(fā)生失效的原因主要有3點(diǎn)： 1） 電路中寄生參數(shù)的影響； 2） 二極管本身參數(shù)的不均勻性； 3） 二極管工藝上的缺點(diǎn)。 因此在串聯(lián)二極管電路中一定要在每只二極管兩端并聯(lián)均壓電阻和均壓電容， 以使得二極管的電阻和反向恢復(fù)時(shí)間均衡； 在使用前要對(duì)二極管進(jìn)行篩選， 逐一測量二極管的正反向I-V 特性和反向恢復(fù)特性， 選擇正反向I-V 特性及反向恢復(fù)時(shí)間盡量一致的二極管； 在選好器件之后， 可以先對(duì)二極管進(jìn)行退火， 這不僅能使二極管的歐姆接觸穩(wěn)定， 還能消除二極管中的部分缺陷。

本文的研究結(jié)果為串聯(lián)二極管的應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值， 但在實(shí)驗(yàn)中還不能對(duì)每只二極管上的電壓進(jìn)行在線監(jiān)測， 需要在后面的工作中繼續(xù)研究。