用于電子加速器的串聯二極管退化問題研究

白天旭， 張小玲， 謝雪松， 王偉巖

（北京工業大學信息學部， 北京 100124）

0 引言

電子加速器是利用電磁場將正負電子、 質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構， 而現在它的應用已經涉及方方面面， 例如： 工業方面的工業探傷、輻照加工； 農業方面的良種培育、 食品輻照保鮮；醫療方面的放射治療、 醫療設備殺菌等等[1]。

串聯二極管是高壓電子加速器產生高電壓的主要結構， 為了獲得高電壓， 常常將數十個甚至幾百個二極管串聯起來使用。 由于電路中寄生參數影響和二極管本身參數的不均勻性， 會使得串聯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， 就會導致其他二極管被連鎖擊穿[2-3]。因此提高串聯二極管的可靠性是一個重要議題。

文獻[3] 詳細地分析了串聯二極管反向運行時的等效電路， 認為電路中的分布電容是產生電壓不均的主要因素； 文獻[4-5] 研究了串聯的二極管靜態和動態工作時電壓不均的原因， 其采用并聯均壓電阻和均壓電容的方法來進行電壓均衡；文獻[6] 研究了機械振動、 負載特性和二極管參數對串聯二極管的影響， 得到故障由感性負載特性和二極管的反向恢復特性不一致等因素共同導致； 文獻[7-8] 都認為串聯二極管動態工作時的電壓不均是由于二極管反向恢復特性的不一致性所導致。

雖然人們已經對串聯二極管進行了一些研究，但是只從電路的角度進行分析， 給出電壓、 電流的分配情況， 以及對電壓不均勻的問題進行解決。本文從新的角度出發， 觀測電路經過一段時間的工作后二極管內部的電學特性變化情況， 對比串聯二極管參數的退化程度， 找出導致串聯二極管發生損壞的根本原因， 給出提高串聯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度的電子束， 并且有內部結構簡單、 成本低廉和制造較容易的特點， 因而在各個行業中得到了廣泛的應用。 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現電壓放大的。 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： 當變壓器上正下負時， 二極管D1、 D2導通， D3、 D4截止， 電流將C1充電至當變壓器上負下正時， 二極管D3、 D4導通， D1、 D2截止， 這時， C1與電源串聯起來共同對電容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， 串聯二極管在電子加速器中交替承受正反向電壓。 而且在實際的電子加速器中， 串聯的二極管可達上百個， 是容易發生損壞的結構。 因此本文以串聯二極管作為研究目標， 通過老化試驗研究其在正反向脈沖應力下的退化情況。

2 實驗及結果

實驗選用的二極管的型號與電子加速器中所用的二極管一致， 為BYV26D 型PIN 二極管， 其正向導通電壓為0.4 V， 反向擊穿電壓為900 V，反向漏電流在微安級。 利用IGBT 全橋電路產生正負方波脈沖電壓[11]， 通過升壓變壓器將電壓升高到3 000 V， 然后串聯限流電阻后施加到10 只串聯二極管的兩端， 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， 測試的環境溫度為22±0.5 ℃， 為了防止周圍的電磁對測量產生影響， 每次測試都把二極管放在屏蔽盒中進行。 測量二極管的正向特性所用的儀器為KEITHLEY 4200-SCS 半導體參數分析儀， 測量反向特性所用的儀器為Tektronix 370A 晶體管圖示儀。

經過300 h 的交流脈沖應力退化實驗之后， 10只二極管的正反向I-V 特性均發生了一定程度的變化。 以7 號二極管為例， 其在半對數坐標下的正向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間是增加的， 且變化超過一個數量級。 通過對比， 發現其他9 只二極管的正向I-V 特性也有同樣的變化規律。 取正向電壓1 V對應的電流， 繪制電流隨退化時間的變化曲線，如圖4 所示。 可見正向大電壓段的電流隨退化時間是先增大后減小的。

通過測量二極管的反向特性， 發現10 只二極管的反向漏電流也是隨退化時間逐漸地增大的，取500 V 電壓對應的反向漏電流繪制電流隨退化時間變化的曲線， 如圖5 所示。

圖2 IGBT 全橋電路示意圖

圖3 半對數坐標下7 號二極管的正向I-V 特性

圖4 正向電壓1 V 對應的電流隨退化時間變化的曲線

圖5 反向電壓500 V 對應的漏電流隨退化時間變化的曲線

3 分析與討論

由于二極管的理想因子能夠反映出內部產生、復合電流的比例與二極管品質的優劣相關。 因此本文以理想因子作為退化參數， 對交流脈沖應力下串聯二極管的退化情況進行描述。

在考慮了串聯電阻的情況下， 二極管的電流電壓方程為[12]：

式（1） 中： RS——串聯電阻；

n——理想因子；

k——玻爾茲曼常數；

T——熱力學溫度；

q——電子電荷量。

將式（1） 等號兩邊同時對I 求導數， 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， 對于本實驗所用的二極管即為正向電壓0.33～0.54 V 段， 通過擬合計算， 隨機選取5 只二極管繪制出理想因子n 隨退化時間變化的曲線如圖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部復合電流的成分增加， 這種現象主要是高反向電壓造成的。 在高電壓下， 載流子會獲得足夠的能量， 高能量的載流子會對有源區造成缺陷，這些缺陷在二極管中作為非輻射復合中心[13-14]，并隨著時間逐漸地增加， 導致二極管的非輻射復合電流增大， 并可能引起陷阱輔助隧穿效應[15]。最終二極管的I-V 特性表現為正向小電壓段的電流和反向漏電流隨退化時間逐漸地增加。

圖6 中等電壓段理想因子隨退化時間變化的曲線

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， 隨機地選取其中的5 只二極管， 繪制大電壓段理想因子隨時間變化的曲線如圖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電阻的影響， 因此認為是歐姆接觸發生退化導致的這種現象。 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， Al 與Si 的接觸界面是不均勻的[16]。 在器件工作的初期， Al 會在脈沖應力的作用下穿透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， 會增加器件表面的局部發熱。重復的電流脈沖會引起二極管發熱， 從而在器件工作的前幾十個小時使歐姆接觸發生退火。 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定， 從而導致正向電流逐漸地增大[17]。隨著實驗的繼續進行， 歐姆接觸層中的金屬鋁逐漸地被沖擊出來， 發生電遷移， 破壞了良好的歐姆接觸[18]， 使得電流逐漸地減小。

通過對比， 發現10 只二極管的退化程度是不同的。 串聯二極管電路存在寄生參數， 導致位于兩端的二極管分擔的電壓高， 位于中間的二極管分擔的電壓低[5]， 這會使得位于兩端的二極管發生退化的程度最大， 而本實驗中所觀察到的退化并不符合這個規律。 因此二極管本身參數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工作時會承受更高的電壓； 反向恢復時間最小的二極管會首先承受電壓。另外， 二極管的制造過程中也會有一些對退化有影響的因素， 如本文提及的歐姆接觸退火不充分。以上3 點原因綜合起來， 造成了串聯二極管容易失效的結果。

圖7 大電壓段理想因子隨退化時間變化的曲線

4 結束語

本文對用于電子加速器的串聯二極管進行了交流脈沖應力下的退化實驗， 結果表明： 重復的反向高壓和正向電流脈沖會在二極管中引入缺陷，增加二極管的非輻射復合電流， 中等電壓段的理想因子表現為逐漸地增大； 器件歐姆接觸會在工作的前幾十小時逐漸地改善， 然后也開始退化，大電壓段的理想因子表現為先減小后增大。

導致串聯二極管容易發生失效的原因主要有3點： 1） 電路中寄生參數的影響； 2） 二極管本身參數的不均勻性； 3） 二極管工藝上的缺點。 因此在串聯二極管電路中一定要在每只二極管兩端并聯均壓電阻和均壓電容， 以使得二極管的電阻和反向恢復時間均衡； 在使用前要對二極管進行篩選， 逐一測量二極管的正反向I-V 特性和反向恢復特性， 選擇正反向I-V 特性及反向恢復時間盡量一致的二極管； 在選好器件之后， 可以先對二極管進行退火， 這不僅能使二極管的歐姆接觸穩定， 還能消除二極管中的部分缺陷。

本文的研究結果為串聯二極管的應用提供了一定的參考價值， 但在實驗中還不能對每只二極管上的電壓進行在線監測， 需要在后面的工作中繼續研究。