Яримўтказгичли юқори частотали ва чеклагич диодлар тайёрлаш технологиясини ишлаб чиқиш, уларнинг параметрларини термо- ва радиацион таъсирда оптималлаштириш

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ

ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ

ИЛМИЙ КЕНГАШ

_________________________________________________________________

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

РАХМАТОВ АХМАД ЗАЙНИДИНОВИЧ

ЯРИМЎТКАЗГИЧЛИ ЮҚОРИ ЧАСТОТАЛИ ВА ЧЕКЛАГИЧ

ДИОДЛАР ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИНИ ИШЛАБ ЧИҚИШ,

УЛАРНИНГ ПАРАМЕТРЛАРИНИ ТЕРМО- ВА РАДИАЦИОН

ТАЪСИРДА ОПТИМАЛЛАШТИРИШ

01.04.10 – Яримўтказгичлар физикаси

(техника фанлари)

ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2014

2

УДК: 621.315.592.2

Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси

Оглавление автореферата докторской диссертации

Content of the abstract of doctoral dissertation

Рахматов Ахмад Зайнидинович
Яримўтказгичли юқори частотали ва чеклагич диодлар тайёрлаш
технологиясини ишлаб чиқиш, уларнинг параметрларини термо- ва
радиацион таъсирда оптималлаштириш.......................................................

3

Рахматов Ахмад Зайнидинович
Разработка технологии изготовления полупроводниковых высокочас-
тотных и ограничительных диодов, оптимизация их параметров при
термо- и радиационном воздействии................................

29

Rakhmatov Akhmad Zaynidinovich
Development of semiconductor high-frequency and suppressor diodes
manufacturing technology, optimisation of their parameters under thermal
and radiation influence….…………………………………………………....

55

Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works ………………………………………………...…..

77

3

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ

ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ

ИЛМИЙ КЕНГАШ

_________________________________________________________________

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

РАХМАТОВ АХМАД ЗАЙНИДИНОВИЧ

ЯРИМЎТКАЗГИЧЛИ ЮҚОРИ ЧАСТОТАЛИ ВА ЧЕКЛАГИЧ

ДИОДЛАР ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИНИ ИШЛАБ ЧИҚИШ,

УЛАРНИНГ ПАРАМЕТРЛАРИНИ ТЕРМО- ВА РАДИАЦИОН

ТАЪСИРДА ОПТИМАЛЛАШТИРИШ

01.04.10 – Яримўтказгичлар физикаси

(техника фанлари)

ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2014

4

Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси

ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида

30.09.2014/В2014.5.Т 266 рақам билан

рўйхатга олинган.

Докторлик диссертацияси ЎзР ФА Физика-техника институти ва ОАЖ «FOTON»да

бажарилган.

Докторлик диссертациясининг тўла матни ЎзР ФА Физика-техника институти, Ион плазма

ва лазер технологиялари институти ва Самарқанд давлат университети ҳузуридаги
16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли фан доктори илмий даражасини берувчи Илмий кенгаш веб-
саҳифасига (

kengash.fti.uz)

жойлаштирилган.

Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) илмий кенгашнинг веб-саҳифасига

(

kengash.fti.uz)

ва “ZiyoNet” Ахборот-таълим порталига (

www.ziyonet.uz)

жойлаштирилган.

Каримов Абдулазиз Вахитович

физика-математика фанлари доктори, профессор

Илмий маслаҳатчи:

Расмий оппонентлар:

Улимов Виктор Николаевич

техника фанлари доктори, профессор

Касымахунова Анора Мамасадыковна

техника фанлари доктори, профессор

Тагаев Марат Баймуратович

техника фанлари доктори, профессор

Етакчи ташкилот

:

Тошкент давлат техника университети

Диссертация ҳимояси ЎзР ФА Физика-техника институти, Ион плазма ва лазер

технологиялари институти ва Самарқанд давлат университети ҳузуридаги 16.07.2013.FM/T.12.01
рақамли Илмий кенгаш

асосида 01.04.10 ихтисослиги бўйича (техника фанлари) тузилган

бир марталик илмий кенгаш

нинг «____»____________2014 й. соат ____даги мажлисида бўлиб

ўтади (Манзил: 100084, Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-42-91

, e-

mail:

lutp@uzsci.net

).

Докторлик диссертацияси ЎзР ФА Физика-техника институти Ахборот-ресурс марказида 01

рақами билан рўйхатга олинган, диссертация билан АРМ да танишиш мумкин (Манзил: 100084,
Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-30-41).

Диссертация автореферати 2014 йил «___»___________ да тарқатилди.

(2014 йил _____________ даги ____ рақамли реестр баённомаси).

С.Л. Лутпуллаев

Фан доктори илмий даражасини берувчи

илмий кенгаш раиси ф.-м.ф.д., профессор

М.Н. Турсунов

Фан доктори илмий даражасини берувчи

бир марталик илмий кенгаш илмий котиби

т.ф.д.

И.Г. Атабаев

Фан доктори илмий даражасини берувчи

илмий кенгаш ҳузуридаги илмий семинар раиси

ф.-м.ф.д.,

профессор

5

ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АННОТАЦИЯСИ

Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурияти.

Ўзбекистон

Республикаси Президентининг 2010 йил 15 декабрдаги ПҚ-1442–сонли
«2011–2015 йилларда Ўзбекистон Республикаси саноатини ривожлантириш-
нинг устувор йўналишлари тўғрисида»ги қарорига асосан саноат ишлаб
чиқаришининг самарадорлигини ошириш биринчи навбатдаги масалалардан
ҳисобланади. Шунинг учун «FOTON» ОАЖ ишлаб чиқарилаётган кучланиш
чеклагичлари, юқори частотали тўғрилагич диодлар ишлаб чиқариш
таннархини ва харажатларини пасайтириш уларнинг параметрларини
яхшилаш ва ишончлилигини ошириш ҳамда улар технологиясини
оптималлаштириш каби мақсадли ишларни олиб боришни кўзда тутади. Бу
эса маҳсулот рақобатбардошлигини оширишнинг муҳим омили бўлиб,
эришилган бозор эҳтиёжларини сақлаш ва янги харидорлар топиш манбаи
ҳисобланади.

АҚШ, Канада, Голландия, Хитой ва Япония чет мамлакатлари

олимлари томонидан қўйилган импульсли кучланишларнинг ошиб кетиши
натижасида электрик ва радиоэлектрон асбобларнинг ишдан чиқишининг
олдини олиш соҳасида юқори вольтли кучланиш чеклагичлари ва улар
асосида барқарорлаштирувчи қурилмалар ишлаб чиқиш ва тадқиқ қилиш
масалалари талабга сазовор.

Бу қувватли диодлар электр энергиясини ўзгартгич қурилмаларида,

истеъмол тизимлари ва технологик жараёнларни бошқаришда кенг
қўлланилади. Уларни тайёрлашда юқори кучланишли диодлар учун кенг
қўлланилувчи кремнийни бор ва фосфор билан легирлаш диффузион
технологиялари ишлатилади. Аммо кичик кучланишли чеклагичларга
нисбатан кичик дифференциал қаршилик олишга имкон бермайди, бунга эса

р-n

-ўтиш чегарасида ток ташувчилар концентрациясининг кес-кин фарқини

таъминловчи киритма ишлатиш орқали эришиш мумкин. Бу муаммони ечиш,
юқори концентрацияли манба – маргимуш ишлатиш йўли билан тайёрлаш
мумкин бўлган диффузант олишга имкон берувчи, янги физик ёндашишни
талаб қилади. Бундан ташқари, қувватли диодларнинг ишлаш самарадорлиги
чеклагичларнинг

номинал

коэффициенти,

тешилиш

кучланиши

характеристикаларининг кескинлиги билан аниқланади. Ишчи режимда
қувватли диодлар кучли импульслар таъсирида иссиқлик ажратади ва уларни
оптималлаштириш контакт соҳалари билан бирга бутун тизим узунлигида
иссиқлик ўтказувчанликнинг физик анализи асосида амалга ошириш мумкин.

Диссертациянинг бажарилишига зарурият қувватли диодларнинг

технологик бузилишини камайтириш ва мустаҳкамлигини ошириш,
қўлланиш

соҳасини

кенгайтириш

ҳамда

қувватлар

динамик

исрофгарчилигини камайтириш муаммоларига мақсадга мувофиқ ёндашувни
талаб

қилувчи

масалаларга

боғлиқ

бўлган

қувватли

импульсга

чидамлилигини оширилиши, радиоэлектрон асбобларни ҳимоялаш ва
саралаш қурилмаларини ҳамда такомиллаштирилган технологияларни жорий
қилиш кераклигидан келиб чиқади.

6

Шу билан бирга, баъзи ҳолатларда асбобни занжирдан узиш

натижасида кутилмаганда ток қиймати ошиб кетишидан сақлаш муаммоси
пайдо бўлиши, ток импульси таъсиридан сўнг қайтувчи параметрли ток
чеклагичларини яратиш лозимлигини тақозо этади.

Юқорида айтилганлардан келиб чиқадики, танланган объект параметр-

ларининг комплекс тадқиқоти ва уларни яратиш технологиясининг физик
аспектлари (масалан, диффузия ва радиацион усуллар билан), конструкцияни
оптималлаштиришга йўналтирилган ва текшириш учун танлаб олинган
объектларни яратиш технологияси ва шу асосда асбоб параметрларини ўзаро
мос бўлишига эришиш, шунингдек, уларнинг радиацион барқарор бўлишини
ҳам эътибордан четда қолдирмаслик ўта долзарб ҳисобланади.

Тадқиқотнинг Ўзбекистон Республикаси фан ва технологиялар та-

раққиётининг

устувор

йўналишларига

мослиги.

Ушбу тадқиқот

Ўзбекистон Республикасининг фан ва технологиялар тараққиётининг устувор
йўналишларига мос ҳолда АТД-3 ‒ «Энергетика, энергоресурсларни тежаш,
транспорт, машина ва асбобсозлик; электрон асбобсозлик ва фотоника,
микроэлектроника, замонавий электроникани ривожлантириш» дастури
асосида бажарилган.

Диссертация мавзуси бўйича халқаро илмий тадқиқотлар шарҳи.

Ҳар хил турдаги (кучланиш чеклагичлари, стабилитронлар, тиристорлар,
юқори частотали тўғриловчичеклагич) қувватли яримўтказгичли диодлар
ишчи параметрлари ва уларни олиниш технологияси тадқиқотлари АҚШ,
Канада,

Англия,

Голландия,

Хитой,

Россия

каби

мамлакатларда

радиоэлектроника ҳамда автомобиль саноатидаги талабларни ҳисобга олган
ҳолда изчиллашаяпти ва аниқ муваффақиятларга эришилган.

Philips Semiconductors, STMicroelectronics, Littelfuse, Moeser Electronics,

ON Semiconductor, SGS-Thomson, Центр «СЭЛТ» ва бошқа йирик
компанияларнинг мақолаларида олиб борилаётган тадқиқотлар параметрлари
яхшиланган, ортиб бораётган талабларни қондирувчи қувватли диодлар
ишлаб чиқишга йўналтирилганлиги қайд қилинган. Тадқиқотларда қувватли
яримўтказгичли диодларнинг ишчи параметрларини оптималлаштириш ва
мустаҳкамлигини

оширишга

бағишланган

ишларнинг

зарурлиги

ва

долзарблигига эътибор қаратилган.

Шу муносабат билан катта қувватли диодларни тайёрлашнинг янги

технологияларини ишлаб чиқиш ва жорий технологияларни такомиллаш-
тириш етакчи илмий тадқиқот марказларининг диққат марказида турибди.
Хусусан,

диффузион

технология

асосида

тайёрланган

аналоглар

параметрларидан афзал кўрсаткичга эга бўлган кичик вольтли кучланиш
чеклагичларини тайёрлаш эпитаксиал технологияни қўллаш орқали амалга
оширилиши мумкинлиги Sigetronics Inc. фирма тадқиқотчилари томонидан
кўрсатилган. Қувватли диодлар параметрларига радиацион таъсирни
ўрганиш тадқиқотларнинг бошқа бир йўналиши бўлиб, технологик
жараёнлар

ниҳоясига

етгандан

сўнг

диодларнинг

параметрларини

оптималлаштириш имконини беради. Масалан, швейцариялик олимлар
томонидан кремнийли кучли қувватли диодларнинг базасини палладий билан

7

радиацион легирлаш йўли орқали платина билан легирланган диодларга
нисбатан кам яшаш даври олинган.

Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.

Ҳозирги кунда кремний

асосида юқори частотали диод ва кучланиш чеклагичларини яратиш
технологияси ва уларнинг параметрларини оптималлаштиришга бағишланган
бир қатор назарий ва экспериментал ишлар олиб борилмоқда. Уларнинг
кўпчилиги кучли қувватли диодларнинг эксплуатацион параметрларини
конструктив ва схемотехник усуллар билан оптималлаштиришга ёки
комбинацион технологиялар қўллашга (диффузия билан биргаликда лазер
технологияси, радиация билан биргаликда ион имплантация) бағишланган.
Бироқ, қўлланилаётган диффузия технологиясини юқори частотали диод ва
кучланиш

чеклагичларига

нисбатан

модернизациялаш

ва

оптимал

арматурасини яратиш диққатга сазовордир. Муаммони муваффақиятли ҳал
бўлиши ишлаб чиқаришни деярли ҳеч қандай реконструкциясиз нафақат
маҳсулот параметрларини яхшилаши, балки кремний

p



-n



,

р



p-n



ва

p



p-

nn



-

тузилмаларнинг техник иқтисодий кўрсаткичлари ҳам яхшиланишига

олиб келади.

Шу билан бирга, аксарият ҳолатларда биргина электрон схемада икки

жуфт, баъзида бир нечта кучланиш чеклагичларининг параметрлари мутлақо
бир хил бўлиши лозим. Бироқ, асбоб тузилмалар яратишдаги технологик
операциялар натижасида нуқсонлар, эксплуатацион характеристикаларида
эса фарқлар ҳосил бўлади. Шу сабабли юқори частотали диод ва кучланиш
чеклагичларини маълум белгиланган параметрлар билан яратиш технология-
сидан фойдаланилади.

Бугунги кунда долзарб муаммо бўлган тўғриловчи ўтишида

ташувчилар концентрацияси градиентли бўлган яримўтказгичли юқори
частотали ва чеклагич диодларни тайёрлаш диффузион технологияси ҳамда
уларнинг

эксплуатацион

параметрларини

оптималлаштириш

ва

идентификациялаш методлари тўғрисида ҳозиргача мавжуд ишларда
маълумотлар йўқ.

Радиацион-технологик жараёнларни қўллаш қувватли диодларнинг

тезкорлиги ва ишончлилигини оширишни таъминлайди. Бироқ, гап шундаки,
ҳар сафар радиацион таъсирни танлашда маҳсулот параметрларининг
оптимал мослашиш муаммоларини ҳал қилиш керак бўлади. Натижада

p-n

-

ўтиш соҳаси турли технологик усуллар билан яратилган (планар технология,
мезадиффузион усул ва б.) диоднинг параметрларини оптимал мослаш учун у
ёки бу радиацион таъсирни қўллашнинг умумий йўл-йўриқларини ишлаб
чиқиш лозим. Шунинг учун барқарорликни кўтариш ҳисоблари долзарб
мухандислик муаммоси бўлиб, унинг ечилиши бу синфга тегишли
асбобларнинг қўлланиш соҳасини (ва, албатта, маҳсулотни сотиш имконини
ҳам) кенгайтиради.

Яна бошқа бир муаммо шундаки, қувватли асбобларни ‒ кучланиш

чеклагичларини, юқори частотали диод тўғрилагичларини характерлайдиган
параметрларни ўрганишнинг бизга маълум усуллари аниқлик нуқтаи

8

назаридан қониқтирмайди. Яъни стабилитрон параметрларини аниқлаш учун
ишлатилаётган усуллар корректив эмас.

Шундай қилиб, яримўтказгич асосли юқори частотали диод ва

кучланиш чеклагичларининг оптимал технологияси ва параметрларини
оптималлаштириш долзарб муаммо бўлиб, ҳозирга қадар олиб борилган
илмий ишларда бу соҳа тўлиқ ёритилмаган.

Диссертация тадқиқотининг илмий тадқиқот ишлари режалари

билан боғлиқлиги:

тақдим этилаётган иш «Физика-Қуёш» ИИЧБ Физика-

техника институтининг А3-ФА-0-10-440 «Яримўтказгичли асбоблар камёб
гуруҳларини ишлаб чиқаришда яроқли чиқишини ошириш учун термик ва
электримпульсли ишлов бериш усулларини яратиш (ОАЖ «FOTON»)»
давлат дастури асосида бажарилган.

Тадқиқотнинг мақсади

дифференциал қаршилиги кичрайтирилган

кремний диоди тузилмаларини ишлаб чиқаришнинг оптимал диффузион
технологиясини ишлаб чиқиш ва юқори частотали тўғрилагич диод ва
кучланишни чеклагичларнинг сифатини яхшилаш, ишончлилигини радиация
таъсирида кўтаришдан иборат.

Мақсадга эришиш учун ишда қуйидаги

тадқиқот вазифалари

қўйилди:

қисқа вақтли кучланиш ошиб кетишининг қувватли импульслари

таъсирига бардош берувчи

p-n

-ўтиш чегарасида қоришмалар концентрацияси

катта градиентли бўлган кичик вольтли структуралар тайёрлаш учун
кремнийга фосфор билан легирлашга нисбатан чекланмаган манбадан юқори
концентрацияли маргимушни диффузия қилиш технологиясини ишлаб
чиқиш;

жараёндан жараёнга кремнийли кичик вольтли

р-п-

ўтишлар олинишида

асосий электр параметрлари фарқланишининг камайишини таъминловчи
иссиқлик таъсири шароитларини ишлаб чиқиш;

контакт материали билан яримўтказгич чегарасида ўтказиш эффекти

минимал бўлган омик контакт олиш усулини ишлаб чиқиш;

кучланиш чеклагичларининг функционал параметрларини ўлчашнинг

физикавий асосланган универсал усулларини ишлаб чиқиш. Бу ҳолатда
кучланиш

чеклагичларининг

эффективлик

коэффициенти

ва

ўлчаш

режимини

ҳисобга

олиб,

чекланиш

кучланишини

аниқлашнинг

такомиллашган усулини ишлаб чиқиш талаб қилинади;

диод конструкциясининг қисмларида, уланиш режимига боғлиқ бўлган,

импульс қувватининг ажралиш ва ютилиш механизмини тушунтирувчи
кучланиш чек-лагичининг иссиқлик моделини ишлаб чиқиш;

p-n-

ўтиши турли усуллар билан тайёрланган кучли тўғриловчи диодлар

учун оптимал шароитлар ва радиацион таъсир технологик режимларини
аниқлаш;

эксплуатация

параметрларини

таққослаш

учун

кучланиш

чеклагичининг кучланиш тешилишига радиация таъсирини ўрганиш;

кучланиш чеклагичини муҳофазалаш учун арсенид галлий асосидаги

ток чеклагичини ишлаб чиқиш.

9

Тадқиқот объекти:

p

+

n

+

,

p

+

-n-n

+

, шунингдек,

p

+

-p-n-n

+

-тузилмали,

кичик ва юқори вольтли кремний асосида кучланиш чеклагичлари, юқори
частотали тўғрилагич диодлар ва арсенид галлий асосида яратилган ток
чеклагичлар.

Тадқиқот предмети

– кремнийни маргимуш билан легирлаш жараёни,

юқори частотали диодлар ва кучланиш чеклагичларини радиацион нурланиш
таъсирида эксплуатацион параметрларини идентификациялаш модели,
яримўтказгич сиртида адгезияси яхшиланган омик контакт олиш.

Тадқиқот усуллари.

Тадқиқот жараёнида вольтампер ва вольтфарад

характеристика

усуллари,

радиация

таъсири,

сиртий

қаршиликни

аниқлашнинг зондли ўлчаш усуллари, дифференциал ўтказувчанлик
усуллари, моделлаш усулларидан фойдаланилган.

Диссертация тадқиқотининг илмий янгилиги

қуйидагилардан

иборат:

илк бор маргимуш билан легирланган кремний

р

+

-n

+

-структураси

асосида манба блоклари муҳофазаси учун кичик вольтли (< 7 В) кучланиш
чеклагичлари олиш технологияси яратилган;

илк бор

кремний

р

+

-p-n-n

+

-структураси асосида эффектив иссиқлик

тарқатувчи контактли қувватли (10А) тўғрилагич-чеклагич диодлар олиш
усули ишлаб чиқилган;

илк бор қувватли

р

+

-p-n-n

+

-ўтишли диодларга 450

С

о

да қотадиган икки

қаватли кумуш ва ванадий асосида уч қатламдан иборат омик контакт олиш
усули ишлаб чиқилди, иссиқлик узатувчи компенсатор сифатида гальваник
усулда кумуш билан қопланган мис қатлами танланган;

кучланиш чеклагичи параметрларини ўлчайдиган – универсал икки

генераторли, хатолиги бир генераторли усулга нисбатан уч марта кам бўлган
янги усул ишлаб чиқилган;

илк бор арсенид галлий асосида, омик контактли, биринчи тип таглик,

бири иккинчисидан маълум масофада жойлашган иккита омик контактли,
иккинчи тип ўтказувчан юпқа қатламдан ва омик контактга уланган
электродлардан иборат ярим ўтказгич асбоб ишлаб чиқилган;

кучланиш чеклагичи самарадорлигини қаршилик билан ток зичлиги

орасидаги боғлиқлик асосида, кенг тешилиш токи соҳасида аниқлаш усули
ишлаб чиқилган;

ҳарорат потенциали ва иссиқлик оқими генераторлар сифатида уланиш

ва импульсли кучланиш бериш шароитида, иссиқликни узатиш ва

p-n

-

ўтишни

қизиш

температурасини

ҳисоблашга

асосланган,

иссиқлик

моделлари ишлаб чиқилган;

кучланиш чеклагичи ва юқори частотали диодлар параметрларининг

оптимал мослашишини таъминлайдиган радиацион технологик таъсирлар
турини аниқлашнинг муҳандислик услуби ишлаб чиқилган;

илк бор кучланиш чеклагичининг ишдан чиқиш фурсатини қайд

қилувчи радиоэлектрон аппаратурани

ҳимоя этувчи қурилма ишлаб

чиқилган.

10

Тадқиқотнинг амалий натижалари

қуйидагилардан иборат:

металл ўтказгичга яқин бўлган, кучли легирланган соҳали кичик

вольтли кучланиш чеклагичлари олишнинг технологик шарт-шароитлари,
легирлашда маргимушни кремнийга ноанъанавий тарзда диффузиялаш
технологик шароитлари ишлаб чиқилган;

кучланиш чеклагичининг импульс характеристикаларини текшириш-

нинг

такомиллашган

компенсацион

усули,

шунингдек,

уларнинг

дифференциал қаршилигини ток билан боғланиш хоссасига асосланган
кучланишни чеклаш самарадорлик коэффициентини аниқлашнинг янги
усули таклиф қилинган;

қувватга чидамлилигини оширишни таъминловчи кучли тўғриловчи-

чеклагичли

қуршаб

олувчи

диодлар

тайёрлашнинг

технологик

ва

конструктив аспектлари ишлаб чиқилган;

юқори

частотали

ва

чекловчи

диодлар

параметрларининг

оптимизацияси ва радиоэлектрон аппаратураларни ток ва кучланиш бўйича
муҳофазалаш қурилмаси таклиф қилинган;

оптимал материаллар ва кучланиш чеклагичларининг истеъмол бозори

талабларига

мос

рақобатбардошлигини

ошириш

сари

йўналган

конструкторлик ечимларини очиб берувчи муҳандислик ҳисоблашлар ишлаб
чиқилган;

кучланиш чеклагичлари, юқори частотали диодларнинг параметр-

ларини оптималлаштирувчи радиация тури ва дозаларини қимматбаҳо
изланишлар ўтказмасдан аниқлаб берувчи муҳандислик усуллари таклиф
қилинган;

технологик радиацион жараёндан сўнг маҳсулот параметрларини

башорат қилишни, нурланишнинг оптимал дозасини аниқлашни ва шу билан
бирга технологик жараённинг ишлаб чиқариш маҳсулотдорлигини ва
сифатли маҳсулот чиқишини ошириб берувчи юқори частотали тўғрилагич
диодларнинг асосий параметрларини ҳисоблашнинг муҳандислик усуллари
ишлаб чиқилган.

Олинган натижаларнинг ишончлилиги

физик жараёнларни тадқиқ

қилишда умумқабул қилинган илмий услублар, стандартлашган ва завод
шароитида апробациядан ўтган тадқиқот услубларининг қўлланилиши билан
тасдиқланган. Хулосалар назарий ҳисоблашларга мос келувчи экспериментал
натижаларга асосланган.

Тадқиқот натижаларининг назарий ва амалий аҳамияти.

Ишлаб

чиқилган кучланиш чеклагичлари ва тўғирловчи-чеклагич қуршаб олувчи
диодлар радиоэлектрон аппаратураларни электр занжирларда кучланиш
ортиб кетишидан сақлаш учун, юқори частотали диодлар эса қурилмаларда
энергияни ўзгартириш ҳамда тўғрилаш учун қўлланилади.

Тадқиқот

натижаларининг

жорий

қилиниши

.

Тадқиқотлар

натижаси асосида қилинган ихтироларга 3та Ўзбекистон Республикаси
патенти (№ IAP 04599 04.10.2012й., № IAP 04721 03.05.2013й., № IAP 04571
22.08.2012й.) ва 1та Россия патенти (№ 2522786 21.05.2014й.) олинган.
Тадқиқотлар натижасида кичик вольтли кучланиш чеклагичлари ва юқори

11

частотали тўғриловчи-чеклагич диодлар технологияси ишлаб чиқилган ҳамда
кучланиш

чеклагичларининг

характеристикаларини

оптималлаштириш

услублари ОАЖ «FOTON» да ишлаб чиқаришга жорий этилиб, йиллик
иқтисодий самара 78 млн сўмни ташкил этган («Ўзэлтехсаноат»
Ассоциациясининг 12.12.2013 йилдаги жорий қилинганлик далолатномаси).

Ишнинг апробацияси.

Диссертация иши натижалари 11 та илмий-

амалий анжуман ва конференцияларда, жумладан, «Современные информа-
ционные и электронные технологии» (Одесса, 2011; 2013); «Физиканинг
фундаментал ва амалий масалалари» (Ташкент, 2010); «Современные инфор-
мационные и электронные технологии» (Одесса, 2010; 2013); «Young Scien-
tists Conf. Optics and High Tech. Mater. Sci. SPO-2010» (Kyiv, 2010); «Совре-
менные техники и технологии горно-металлургической отрасли и пути их
развития» (Навои, 2010); II Международная конференция по «Оптическим и
фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро- и нано структу-
рах» (Фергана, 2011), «International Conference Nuclear science and its applica-
tion» (Samarkand (Uzbekistan) September 25-28, 2012) муҳокама қилинган.

Диссертация ишининг асосий натижалари ЎзР ФА «Физика-Қуёш»

ИИЧБ Физика-техника институти яримўтказгичлар йўналиши бўйича
кенгайтирилган семинарида (2014йил май) ҳамда Физика-техника институти,
Ион плазма ва лазер технологиялари институти ва Самарқанд давлат
университети ҳузуридаги 16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли Илмий кенгаш
асосида 01.04.10 ихтисослиги бўйича (техника фанлари) тузилган бир
марталик илмий кенгаш қошидаги илмий семинарда (2014йил август)
муҳокама қилинган.

Натижаларнинг эълон қилинганлиги.

Олинган натижалар 35 та

илмий ишларда акс эттирилган бўлиб, улардан 18та мақола чет эл ва 2та
республика журналларида, 4 патентда, 11 халқаро ва республика
конференцияларида чоп этилган.

Диссертациянинг тузилиши ва ҳажми.

Диссертация кириш, бешта

боб, хулоса ва 139 та фойдаланилган адабиётлар рўйхати 203 саҳифа матн, 88
та расм, 12 та жадвалдан иборат.

ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ

Кириш

қисмида

муаммонинг

ва

диссертация

мавзусининг

долзарблиги асосланган, мақсад ва вазифалар ёритилган, ишнинг илмий ва
амалий аҳамияти, ҳимояга олиб чиқиладиган асосий ҳолатлар келтириб
ўтилган.

Биринчи бобда

юқори частотали диод ва кучланиш чеклагичларининг

асосий параметрлари ва уларни оптималлаштириш муаммолари бўйича
адабиётларда

шу

кунга

қадар

бўлган

маълумотлар

келтирилган.

Параметрларни

оптималлаштиришнинг

конструктив

ва

схемотехник

усуллари кўриб чиқилган ва

p



-n



-ўтишли кичик вольт қувватли диодларни

олиш технологияси таҳлил қилинган. Параметрларни ўлчашнинг маълум
усуллари ва чеклагичларнинг самарадорлигини ошириш, шунингдек,

12

яримўтказгич асбобларнинг параметрларини радиацион оптималлаш-тириш
усуллари таҳлил қилинган. Хулосага кўра, маргимушни кремнийга юқори
концентрацион диффузиялаш йўли билан кичик вольтли

p



-n



-ўтишли

тузилмаларни олиш фосфор билан легирланган тузилмаларга нисбатан яхши
электр параметрларга эга бўлишига олиб келиши таъкидланган. Радиацион
нурланиш билан юқори частотали диод ва кучланиш чеклагичларининг
тешилиш кучланиши, тезкор ишлаши каби параметрларини оптимал-
лаштириш мумкинлиги таъкидланган.

Иккинчи бобда

кичик вольтли чеклагичларни маргимушни кремнийга

чекланмаган манбадан диффузиялаш билан яратишнинг физик-технологик
шароитлари, қувватли тўғирловчи-чеклагич диодларни олиш технологияси,
яримўтказгич сиртига яхши адгезияли омик контактларни олиш усуллари,
кремнийли

p



-n



, p



-n-n



и p



р-n-n



-

тузилмалар асосида яратилган қувватли

диодларнинг асосий характерис-тикалари келтирилган. Кичик вольтли
кучланиш чеклагичларининг маргимушни кремнийга ампула ёрдамида
диффузия қилиш усулида яратишнинг физик-технологик афзалликларини
ўрганиш асосида, илк бор диффузияланувчининг таркиби (450 мг

As

, 5 г

Si)

топилган. Ушбу таркиб, анъанавий фосфор диффузиясидан фарқли ўлароқ,
кичик вольтли

p



-n



-

ўтишда юқори сиртий концентрация ва тешилиш

кучланиши кам фарқланишини таъминлайди (1-жадвал).

1-жадвал

Турли диффузия манбалари учун р-п ўтишлар

тешилиш кучланишининг ўртача квадратик ўзгариши

база



,

Ом



см

150 мг

As

U, В

200 мг

As

U, В

350 мг

As

U, В

Лигату-
ра*

U, В

250 мг

As

,

5 г

Si

U, В

450 мг

As

,

5 г

Si

U, В

0.001

1.23

0.67

0.54

0.25

0.10

0.08

0.002

1.17

0.50

0.83

0.37

0.15

0.18

0.003

0.81

0.28

0.35

0.30

0.18

0.16

0.005

0.30

0.23

0.37

0.32

0.23

0.18

0.008

0.54

0.40

0.41

0.47

0.33

0.24

*‒лигатура ‒ вакуумда 1000

0

С да 48 с давомида куйдирилган

р

-тип кремнийнинг

маргимуш билан ховончада майдаланган кукуни

Кичик вольтли кучланиш чеклагичи маргимуш ва фосфор билан легирланган.
Шунингдек, чет эл аналоглари кучланиш чеклагичларнинг тешилиш
характеристикаларини солиштириш шуни кўрсатадики, маргимуш диффу-
зияси билан тайёрланган кучланиш чеклагичида қуйи ўтказувчанлик
соҳасидан юқори ўтказувчанлик соҳасига ўтиш кузатилади (1-расм).
Диодларда контакт мукаммал бўлмаганлиги сабабли, қувват йўқоли-шини
камайтириш учун, омик контакт материали сифатида никель ва олтин ўрнига
ваннадий билан икки қатлам кумуш ўтказиш тавсия этилади.

Тавсия этилган материалнинг адгезия ва иссиқлик хоссалари яхшилиги

сабабли, ундан тўғриловчи-чеклагич диодлар тайёрлашда ҳам фойдаланил-
ган. Илк бор ишлаб чиқилган қувватли тўғриловчи-чеклагичли қуршаб
олувчи

p



р-n-n



-

тузилмали диодлар тайёрлаш технологиясида

р

-тип ўтказув-

13

0 ,0

4 ,0 x 1 0

-5

8 ,0 x 1 0

-5

1 ,2 x 1 0

-4

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

R /R

м а к с

I

о б р

, А

2

1

1

A s

2

P

1-расм.

Кучланиш чеклагичи

дифференциал қаршилигининг

тескари токга боғлиқлиги

чанлик соҳаси ва кучли легирланган

n



- ва

р



- тип ўтказувчанлик соҳалари

диффузия усулида олинади, иккала сиртига юпқа (0.1÷0.3 мкм) ванадий ва
кумуш қатламлар пуркалади ҳамда вольфрам диски кумушланган мис
қатламига алмаштирилади. Таклиф қилинган диодларнинг аналогдан фарқи
шундаки, ишлаб чиқилган диоднинг иссиқлик ўтказувчанлик хоссаси
яхшиланганлиги туфайли 10 А гача токда диод қизиб кетмайди, тескари
токлар ҳарорат таъсирига анча чидамлироқ ва

р-п

-ўтиш тешилиши қайтар

табиатлидир.

Юқори вольтли

p



-n-n



-

тузилмали кучланиш чеклагичларида

п

-тип

кремнийга бор ва фосфор диффузиялаб олинган, тешилиш кучланиши лавина
табиатли бўлиб, талабдаги тешилиш кучланишини, база соҳаси қаршилигини
танлаб ёки кичик вольтли ва юқори вольтли кучланиш чеклагичларини
комбинациялаш орқали, уларни параллель улаш билан ҳосил қилиш мумкин.

Учинчи боб

қувватли диод параметрларини ўрганишнинг янги

усуллари ва радиоэлектрон аппаратураларни муҳофаза қилиш қурилмаларига
бағишланган. Диод тузилмалари кучланиш чеклагичи самарадорлигини
аниқлаш усулининг тавсифи, кучланиш чеклагичлари параметрларини ўлчаш
қурилмасининг такомиллашган техник тавсифи ҳамда таклиф этилган
майдоний диод ва ишлаб чиқилган радиоэлектрон аппаратурани муҳофаза
қилиш қурилмасининг ишлаш принципи келтирилган.

Киритилган

чекланиш

коэффициентини

импульсли

режимда

аниқланувчи

самарадорлик

коэффициенти

теш

чек

имп

чек

имп

U

U

К

/

.

.



билан

биргаликда ўрганиш асосида, берилган токларда талабга жавоб бермайдиган
кичик вольтли кучланиш чеклагичларини корпусга ўрнатишдан аввал
саралаш таклиф қилинган. Самарадорлик коэффициенти тескари ток
ўзгарганда кучланиш чеклагичида кучланишнинг ўзгариш даражасини
белгилайди

теш

чек

теш

D

чек

D

I

I

R

R

R

R

Z

ln

ln

)

/

ln(

)

/

ln(

max

.

max







,

(1)

яъни, берилган ток интервалида кучланиш ўзгариши қанчалик кам бўлса,
кучланиш чеклагичи шунча сифатлидир. Ҳақиқатан ҳам, кучланиш
чеклагичининг характеристик параметларини легирловчи киришмаларни
турига кўра, фосфор киришмали намуналарга нисбатан маргимуш

14

киришмали намуналар учун тешилиш кучланишининг четлашиши камроқ
бўлиб, каттароқ қувватли импульсга чидамлилиги 2-жадвалда кўрсатилган.

2-жадвал

Кучланиш чеклагичи характеристик параметрларини

легирланган киришма турига боғлиқлиги

U

теш

, В

U

теш

, В

Нам

уна

тарт

иби

1 мА

4 мА

Z

К

имп.чек

Р

и,

кВт

1 мА

4 мА

Z

К

имп.чек

Р

и,

кВт

7.5 вольтли кучланиш чеклагичи маргимуш

билан легирланган

8 вольтли кучланиш чеклагичи фосфор

билан легирланган

1

7.35

7.52

0.99

1.19

1.85

8.35

9.0

0.87

1.4

1.5

2

7.39

7.53

0.99

1.18

1.9

8.35

8.8

0.9

1.5

1.6

3

7.38

7,58

0.98

1.21

1.85

8.14

8.9

0.86

1.38

1.5

4

7.4

7.6

0.9

1.18

1.85

7.7

8.7

0.84

1.42

1.6

5

7.44

7.62

0.99

1.24

1.85

7.9

8.6

0.86

1.39

1.6

6

7.4

7.65

0.99

1.22

1.78

8

8.8

0.85

1.4

1.58

7

7.6

7.75

0.98

1.22

1.8

8.2

8.9

0.87

1.38

1.5

Таъкидлаш жоизки, қувватли кучланиш чеклагичларининг параметр-

лари маълум бўлган бевосита усулга нисбатан кичик хатоликка эга бўлган
такомиллашган икки генераторли усул билан ўлчанган. Бевосита ўлчаш
усули эса, хатолиги абсолют қийматининг ток зичлигига боғлиқлиги
туфайли, талаб этиладиган хатоликни таъминлай олмайди. Икки генераторли
усул кучланиш чеклагичининг математик моделига асосланган:

U

чек

=U

теш

+r

d

·I

max

,

(2)

бу ерда

r

d

–тешилиш соҳасининг дифференциал қаршилиги.

Барча чеклагич диодлар учун, чекланиш кучланишининг ўзгарувчи

ташкил этувчиси 20

% U

чек

қийматдан ошмаслиги туфайли, ўлчашнинг таклиф

этилган усулида

U

чек

доимий тескари тешилиш кучланиши

U

теш

ва кичик

импульс ташкил этувчиси кучланишни

U

^

= r

d

·I

max

ни ўлчаш билан

алмаштирилади.

U

теш

-тешилиш кучланишини доимий ток вольтметри

ёрдамида

(хатолиги 1% дан ортиқ бўлмаган асбоб) аниқланади. Ток манбаи

БП1

I

max

максимал импульсли ток ва чиқиш кучланишни таъминлайди

max

0

max

0

1

)

(

5

1

)

(

)

(

I

R

R

U

I

R

R

U

U

U

ўлчан

чек

ўлчан

теш

чек

БП















(3)

Ток манбаидаги зарур бўлган қувват

ΔP

БП

=

0.8

U

чек

·I

max

бевосита ўлчаш

усулидаги ток манбидагидан кам. БП2 блок доимий тескари кучланиш ва
тешилиш

U

БП2

=U

проб

кучланишини 2% дан ошмаган хатоликда ўлчайди ва

доимий

кучланиш вольтметри (

V

П

)

δ

VП

=1% билан назорат қилиб турилади.

Натижада янги усул билан ўлчашдаги умумий кучланишни ўлчаш хатолиги

%

2

гача қадар камаяди.

Ишлаб чиқилган кучланиш чеклагичининг қўлланиш соҳаларидан бири

‒ бу муҳофазаланаётган занжир киришида белгиланган кучланишни
таъминлашдир. Бироқ, мумкин бўлган тешилиш кучланиши ортиб кетганида

15

кучланиш чеклагичи, қайтмас тешилиш туфайли ишдан чиқиши мумкин.
Шунинг учун уни ҳимоялашга белгиланган чекланган токни таъминловчи
ток чеклагичларига зарурият туғилади. Бу заруриятлар муҳофаза модули ва
ток чеклагичлари ёрдамида қониқтирилиши мумкин. Илк бор яратилган
радиоэлектрон аппаратура муҳофаза модули турли техника (телевизор,
компьютер

ва б.)лар ишдан чиқиши ва унинг таркибига кирувчи кучланиш

чеклагичини бузилишидан сақлайди.

Радиоэлектрон аппаратура иш-

лаб чиқилган муҳофаза модулига
симистор занжирда кучланиш кес-
кин ўзгарганида ёнадиган ёруғлик
диодлари орқали уланади (2-расм).
Унинг ишлаш принципи шундаки,
светодиод ёруғлиги икки барьерли
фотодиодга тушади, фотодиоднинг
фототоки симисторнинг ёпилишига

сабаб бўлади ва радиоэлектрон
аппаратура кучланиш манбаини
узади. Импульс тугагач, аппарату-
ра яна манбага уланади.

2-расм. Радиоэлектрон

аппаратурани муҳофаза қилиш

модули

Илк бор яратилган арсенид галлий асосидаги яримўтказгичли

майдоний диод ток характеристикасининг ўзига хос хусусияти шундаки,
кучланишнинг тўйиниш соҳасидан то тешилишигача бўлган кенг интервалда
ток қийматининг ўзгармаслиги унга ток стабилизатори хусусиятини беради.
Бу хусусият кичик вольтли кучланиш чеклагичида қайтмас тешилишни
олдини олади. Яратилган майдоний диоднинг ишлаш принципи майдоний
транзисторнинг ишлаш приципига ўхшаш, исток электроди затворга уланган.
Кучланиш чеклагичи кетма-кет уланган икки қутбли асбоб ҳисобланади. Ток
қиймати тўйиниш кучланишининг кенг интервалида ёруғлик нурланиши
билан бошқарилади.

Тўртинчи бобда

вақтли характеристикалар, стационар ҳолатда

иссиқлик узатиш жараёни, динамик ҳолатда импульсли қувватнинг ажралиш
ва ютилиши каби масалалар кўриб чиқилган.

Стационар режимдаги тешилишда кучланиш чеклагичида ҳажмий

заряддан контактлар томон тарқалаётган иссиқлик аксиал ташкил этувчиси
бўйлаб тарқалиши муносабати билан иссиқлик узатилиш жараёнини бир
ўлчамли модель билан тушунтирилиб, қуйидаги дифференциал тенглама
билан ифодаланади:

 

2

2

'

dV

t

dP

dx

T

d

dt

dT

c

v









(4)

бу ерда

λ

– солиштирма иссиқлик ўтказувчанлиги;

с

v

– солиштирма ис-

сиқлик сиғими;

'



– модда зичлиги;

P(t)

– қувват;

V

– текширилаётган соҳа

ҳажми.

16

Чегеравий қийматларда

корпус

Т

D

Т



)

2

/

(

р-п

-ўтиш ҳарорати иссиқлик

узатиш юзасига эмас, балки унинг массасига боғлиқ:



















'

C

t

R

Р

Т

имп

ис

,

(5)

бу ерда

имп

t

– импульс узунлиги;

'

C

– корпуснинг иссиқлик сиғими,

ис

R

–

иссиқлик қаршилиги.

Кучланиш

чеклагичига

кескин

ўсувчи

тескари

ток

импульси

берилганида чеклагичдан сиғимий ток ўтади ва кучланиш тешилишга
етганида у уланади. Унинг тўлиқ уланишига зарур бўлган вақт қуйидаги
ифодадан аниқланади:

e

B

n

p

s

улан

t

j

N

qW

j

E

t









2

max

0







(6)

Бу уланиш вақти

p-n-

ўтишнинг барьер сиғимини зарядланиш вақтидан





j

E

jS

W

E

W

S

I

U

U

C

t

s

n

p

n

p

n

p

n

p

s

теш

V

RC

max

0

max

0

max

1

2





























(7)

ва зарбий тўлқин тарқалиш вақтидан (

тарк

зарб

t

.

) ҳамда уларга қўшилган

энергиянинг релаксация вақтидан иборат,

сек

t

e

12

10

~



j

N

qW

W

t

B

n

p

тарк

зарб

n

p

тарк

зарб

2

2

.

.











(8)

бу ерда

тарк

зарб

.



‒ зарбий тўлқин тарқалиш тезлиги;

B

N

‒ ток ташувчилар

концентрацияси;

n

p

W



‒

p-n

-ўтиш қалинлиги;

j

‒ ток зичлиги.

Стандарт импульс берилганида кучланиш чеклагичи берилган қувват

ва уланиш вақтига боғлиқ иссиқлик энергияси ажратиб уланади.

улан

улан

улан

W

q

IR

t

R

I

t

P

Q

0

0

2

2

1

2

2







(9)

Шу пайтда камбағаллашган соҳада ажралаётган иссиқлик энергияси

(

W

Q

):





W

v

ext

W

W

c

T

T

Q

V

0











.

(10)

Ҳароратнинг ортиши солиштирма иссиқлик сиғими, яримўтказгич зичлиги ва
камбағаллашган соҳа ҳажмига (

W

V

) пропорционал

p-n

-ўтишнинг камбағал-

лашган соҳа ҳарорати диод уланганидан сўнг ток, ўтиш қаршилиги ва заряд
миқдорининг кўпайтмасини камбағаллашган соҳа иссиқлик сиғими
нисбатига тенг.

17

W

W

T

улан

T

улан

W

v

улан

атроф

W

C

IRq

C

t

R

I

V

Rt

I

T

T

2

2

с

2

0

2

2











(11)

Кучланиш чеклагичида ҳосил бўлган ҳарорат потенциали (

р

Т

)

қуйидаги ифодадан аниқланади:

имп

t

улан

имп

атроф

р

e

I

q

T

T

T





2

max

max

2









(12)

Ҳарорат ортишининг чизиқли қисмида ҳарорат потенциали қуйидаги

ифода билан аниқланади:

t

C

q

R

C

q

R

t

I

T

T

T

Tw

w

Tw

w

i

2

2

)

(

0

0

0













(13)

Уланиш жараёни тугагач,

p-n

-ўтишнинг камбағаллашган соҳаси

ҳарорати максимал қийматга эришади ва қуйидаги формула билан
аниқланади:

2

0

0

Tw

w

m

w

m

C

q

R

I

T

T

T









(14)

Диоднинг уланиш режимида

p-n

-ўтишнинг ҳарорати ток камайишига

нисбатан тезроқ пасаяди, шунинг учун

p-n

-ўтиш ҳарорат потенциалининг

генератори каби бўлади.

Динамик режимда иссиқлик энергиясини ифодаловчи (9) формулага

асосан, иссиқлик оқими максимал токнинг иссиқлик қаршилигига
кўпайтмасининг уланиш вақтига нисбати билан аниқланади:

улан

t

Rt

I

dt

dQ

Ф

2

max

1





(15)

ва вақт бўйича чизиқлик ўзгариб,

t=t

улан

вақтда максимал қийматга эришади:

P

R

I

Ф







2

max

max

.

(16)

Импульснинг камайиш соҳасида токнинг камайишини экспоненциал

деб қабул қилиб

имп

t

e

I

I







max

ва иссиқлик энергиясини

имп

t

e

RtI

Q



2

2

max





га тенг

деб, иссиқлик оқими учун қуйидагига эга бўламиз:





























имп

t

t

имп

t

t

e

RI

e

RI

t

e

RI

dt

dQ

Ф

имп

имп

имп











2

1

2

2

2

max

2

2

max

2

2

max

2

ёки

имп

имп

t

t

Pe

e

RI

Ф





2

2

2

max

2









.

(17)

Иссиқлик жараёнининг иссиқлик доимийси

1

Tw

Tw

T

C

R





(

2

1

теш

Tw

улан

Tw

U

C

Rq

R



)

18

билан содир бўлиши туфайли, иссиқлик оқими қуйидаги ифодадан
аниқланади:

2

2

T

t

Рe

Ф







.

(18)

Шундай қилиб, кучланиш чеклагичи

p-n

-ўтишининг камбағаллашган

соҳаси стандарт импульс таъсирида иссиқлик оқими генератори

сифатида

қаралиши мумкин. Иссиқлик оқими унинг чегараларидан ўтаётган импульс
фронти ва уланганда берилаётган қувватига тенг максимал қийматга
эришади.

Бешинчи бобда

юқори частотали тўғрилагич диодлар ва кучланиш

чеклагичларининг функционал характеристикаларига радиацион нурланиш-
нинг таъсирини ўрганиш натижалари келтирилган. Юқори частотали планар
ва диффузион диодларга радиацион нурланиш таъсир эттирилган. Диодлар-
нинг геометрик кесимлари 3‒4-расмларда келтирилган.

а) тепадан кўриниши

б) диод структурасининг кўндаланг кесими

3-расм. Юқори частотали планар диоднинг геометрик кесими

Тадқиқ этиш учун танланган намуналар кучланиш тушишининг минимал
қийматга эгалиги билан фарқланади. Тўғри ва тескари ток, тескари
кучланиш, шунингдек, тескари токни ўз қийматига қайтиш вақти бўйича (

U

F

,

I

F

,

I

R

,

U

R

,

t

rr

), бу ерда

U

F

=(0.92÷0.93) В (

I

F

= 1A да,

I

R

= (15±2) нA,

U

R

= 200 В);

t

rr

≤ (150±10) 10

-9

сек (

I

F

/I

R

= 1 да ва ҳисоб даражаси 0.1 А).

Намуналарни гамма-квантлар би-
лан нурлаш ЎзР ФА ЯФИ гамма
қурилмасида, электронлар билан
эса ОАЖдаги У-003 «FOTON»
электрон тезлатгичда ўтказилган.
Диодларни нурлантиришда гам-
ма-квантнинг ўртача энергияси
гамма қурилмада Co

60

(~1.25

MэВ) нинг гамма нурлашига мос
келиб, интенсивлиги ~10

12

см

-

2

сек

-1

.

4-расм. Юқори частотали диффузияли

диоднинг геометрик кесими

Диодлар нурлантирилган гамма-квант оқимининг (

Ф

γ

) аниқлиги 5 %

ни ташкил этади. Диодлар нурлантирилган электронларнинг ўртача энергия-

19

си 4÷4.5 MэВни ташкил этган, интенсивлиги эса ~ (2.5÷3) 10

11

см

-2

сек

-1

.

Электронлар флюенсининг (

Ф

е

) аниқлиги ~15% ни ташкил этган.

Юқори частотали планар тузилмалар учун Δ(1/

t

p

) катталик гамма-

квантлар оқимига (

Ф

γ

) тўғри пропорционал ва электронлар флюенси (

Ф

е

)

Δ(1/

p



)

γ

=

Kt

γ

·Ф

γ

ва Δ(1/

p



)

e

=

Kt

e

·Ф

е

. Шунга ўхшаш боғланиш, шикастланиш

доимийсининг нурланиш дозаси билан ўзгариши Шокли-Рид рекомбинация
назариясига кўра, ўтказувчанлик соҳасидан 0.17 эВ масофада жойлашган А-
марказ билан боғлиқ. Тажрибалар асосида ҳисобланган шикастланиш
доимийсининг қийматлари

Kt

γ

= 3.35·10

-11

см

-2

сек

-1

ва

Kt

e

= 2.5·10

-8

см

-2

сек

-1

адабиётларда келтирилган қийматларга жуда яқин.

Тажрибада аниқланган тескари

I

r01γ

ва

I

r01е

токларнинг қийматлари

3.7∙10

-8

А дан 5∙10

-8

А гача бўлиб, ҳисобланган максимал қийматлар

A

I

rs

9

max

10

50







га яқин. Тескари токнинг (15÷20% га ортиши) гамма

нурланиш дозаси

Ф

γ

= (2÷14)·10

17

см

-2

ва электронлар оқими

Ф

e

=

(2.5÷20)·10

14

e/см

2

билан заиф боғланганлигини (15%÷20%га ортишини)

Е

g

ўтказувчанлик соҳасидан

E

m

= - 0.4 eV масофада жойлашган марказ ҳосил

бўлгани билан боғлаш мумкин. Гамма-квантлар Cо

60

билан нурлангандан

сўнг тескари токнинг қиймати, 4÷4.5 MэВ энергияли электронлар билан
нурланганларга нисбатан 15%÷20% кам, яъни гамма-нурланишнинг электрон
нурланишга нисбатан таъсири оптималроқ эканлиги аниқланган.

Кучланиш тушишининг тескари қаршиликнинг қайта тикланиш

вақтига боғлиқлиги

U

F

=f

(

t

rr

) иккала тур нурланиш учун мос келади, яъни

иккала тур нурланиш (гамма-квантлар билан Cо

60

ва 4÷4.5 MэВ энергияли

электронлар билан

t

rr

ва

U

F

.

ларнинг ўзаро муносабатлари нуқтаи назардан)

бир хил. Нурланиш дозаси ортган сари кучланиш тушиши 1.2В гача ортади.
Тескари қаршиликнинг қайта тикланиш вақти эса 150 нс дан 10 нс гача
камаяди ва юқори частотали диоднинг тезкорлиги ошади. Гамма ва электрон
нурланиш таъсири берилаётган юқори частотали диффузион диодлар
текширилган параметрлар бўйича минимал фарққа эга.

Тўғри токи

I

F

=10A бўлганда тўғри кучланишнинг тушуви

U

F

=0.75÷0.8В тескари кучла-нишлар

U

R

= 100 В ва 200 В бўлганда тескари

токлар

I

R

~ 0.5÷0.7 мкА ва 0.7÷1.0 мкА тенг. Тўғри ток

I

F

= 1A,

I

F

/

I

R

= 1

бўлганида, токнинг 0.1 А га тенг бўлгандаги участкадан ҳисоб-ланган,
тескари қаршиликнинг қайта тикланиш вақти

τ

rr

≤ 2.8±0.2∙10

-6

га тенг.

Δ(1/

t

p

) нинг

Ф

γ

ва

Ф

е

ларга боғлиқлиги тўйиниш табиатига эга эканлиги

нурланиш оқими ортиши билан шикастланиш доимийсининг гамма-квантлар
ҳамда электронларнинг нурланиш дозаси ортиши билан камайишини
кўрсатади. Кучланиш тушуви нурланиш дозасига чизиғий боғланишда бўлиб,
қуйидаги ифодадан аниқланади:

)

)

0

(

)

1

(

1

)

0

(

)

1

(

2

1

(

2

/

0

0

L

d

n

p

бro

б

e

p

b

bn

p

b

bn

L

d

L

U

U





















,

(19)

20

бу ерда

U

бro

= (

I

f

·ρ·б·d

)/

S

pn

.

Бу ифодада

p-n

-ўтишдаги киришмалар тақсимоти ҳисобга олинган.

Δp

(x) ≈ Δ

p

(0)∙exp(-x/

L

p

)

(20)

ва

Δ

p

(x) ≈ Δ

p

(

d

)∙exp[(x-

d

)/

L

p

].

(21)

Тажрибаларга кўра, кучланиш тушувининг нурланиш дозасига

боғлиқлиги гамма нурланиш учун

Ф

γ

= 1.5·10

18

см

-2

гача ва электронлар учун

Ф

e

= 9·10

14

e/см

2

га қадар чизиқли тарзда 0.77 дан 0.9 В гача ортади ва

ҳисобланган қийматлар билан қониқарли даражада мос тушади.

Юқори частотали диффузион диодлар тескари токининг доза билан

боғлиқлиги гамма ва электрон нурланишлар учун 1.2∙10

-18

мкА∙см

2

ва 1.6∙10

-15

мкА∙см

2

га тенг бўлган радиацион ўзгариш коэффициентлари билан чизиқли

ўзгаради ва қуйида келтирилган боғлиқлик билан ифодаланади:

I

r

=K

Irγ(e)

·Ф

γ(e)

+ I

ro

(22)

бу ерда

I

ro

– нурланишга қадар тескари ток.

Тескари токнинг радиацион ўзгариш коэффициенти қиймати қуйидаги

ифода ёрдамида ҳисобланган ва 3- жадвалда келтирилган:

dФ

dM

V

n

n

n

n

V

V

n

n

K

p

p

n

n

p

p

t

























0

1

0

0

/

/

)

/

1

(

)

/

1

(

(23)

3-жадвал

Тескари токнинг радиацион ўзгариш коэффициентлари

K

Irγ

∙10

18

, мкА∙см

2

K

Ire

∙10

15

, мкА∙см

2

N

o

=5∙10

17

см

-3

N

o

=1∙10

18

см

-3

Эксперимен-

тал қийматлар

N

o

=5∙10

17

см

-3

N

o

=1∙10

18

см

-3

Эксперимен-

тал қийматлар

1.4

0.7

1.2

1.7

0.4

1.6

Жадвалдан кўриниб турибдики, тескари токнинг радиацион ўзгариш
коэффициентининг экспериментал қиймати кислород концентрацияси билан
аниқланиши мумкин бўлган диапазонда жойлашган бўлиб, диффузион
диодларнинг тескари ток қийматларини, уларга гамма-квант оқимлари (

Ф

γ

)

ва электрон флюенс (

Ф

е

) таъсиридан сўнг, Е-центр шакллантиради.

Шундай қилиб, қувватли кремний диффузион диодларнинг тескари

қаршилигининг қайта тикланиш вақти, тўғри кучланиш тушуви ва тескари
токларига гамма ва электрон нурлари таъсири ўзаро эквивалентлиги
тажрибада кўрсатилган.

Нейтронлар флюенси (3∙10

15

см

-2

гача) таъсирида бўлган кучланиш

чеклагичли диодларнинг характеристик параметрларини ўрганиш асосида
ноасосий заряд ташувчиларнинг яшаш даври, ҳажмий заряд қатлам
қалинлиги ва уларни оптималлаштириш йўллари ҳамда ўзига хос
хусусиятлари аниқланган. Шунингдек

,

диффузион технология билан олинган

21

р

+

рn

+

-

тузилмали 50 вольтли ва 200 вольтли бўлган кучланиш чеклагичлари

ўрганилган. Намуналар тадқиқот реактори ИИН-3Мда нурлантирилган.
Энергияси E>3 МэВ бўлган нейтронлар флюенси S

32

олтингугурт индикатори

билан баҳоланган ва кейинчалик E ≥ 100 кэВ энергияли нейтронлар
флюенсига келтирилган (ИИН-3М реакторнинг маълум спектри бўйича).
Нейтронларнинг ўртача энергияси ~ 1.5 MэВни ташкил этади. Дозиметрия
хатолиги ± 20%. Радиацион нурлантириш ва юқорида келтирилган
параметрларни ўлчаш ишлари ҳар бир тури 20 кучланиш чеклагичидан
ташкил топган танламаларда ўтказилган. Яъни биринчи турда 50 вольтли ва
иккинчи турда 200 вольтлилар. Танланмалар 5÷6 қисмга бўлиниб (ҳар бир
қисмда 3÷4 кучланиш чеклагичи), ҳар бир қисм икки этапда нурлантирилган
(нейтронларнинг 2-оқимида) ва ҳар бир нурлантиришдан сўнг кучланиш
чеклагичларининг параметрлари ўлчанган.

Диффузия усулида олинган 50 вольтли ва 200 вольтли кучланиш

чеклагичларига нейтронлар флюенсининг таъсирини ўрганиш натижасида
ҳар иккала тур кучланиш чеклагичларида

U

теш

(

Ф

)/

U

теш

(0) ва

U

чек

(

Ф

)/

U

чек

(0)

нисбатларнинг нейтронлар флюенси билан экспоненциал боғланишда
эканлиги топилган:

U

теш

(

Ф

)=

U

теш

(0)exp(

K

1

Ф

)

(24)

U

чек

(

Ф

)=

U

чек

(0)exp(

K

2

Ф

).

(25)

Уларда экспонента даражасидаги

К

1

коэффициент қиймати тешилиш

кучланиши учун ўзаро яқин, кучланиш чекловчи коэффициенти

К

2

1.5

баравардан кўпроқ фарқ қилади (4-жадвал). Коэффициентлар қийматидаги
бундай фарқнинг сабабини аниқлаш учун, тешилиш кучланишининг
концентрация градиентига, ҳажмий заряд қатлам қалинлигининг нейтронлар
флюенсига боғлиқлиги, вольтфарад характеристикалардан концентрация
градиенти ва ҳажмий зарядлар қалинлиги аниқланган.

4-жадвал

К

1

ва К

2

коэффициентлар қиймати

К

1

,

см

2

/n

К

2,

см

2

/n

U

чек

= 50 В

U

чек

=200 В

U

чек

= 50 В

U

чек

=200 В

6.3·10

-17

7.0·10

-17

7.1·10

-17

1.1·10

-16

Нейтронларнинг турли флюенслари учун сиғим билан тескари

кучланиш киришмалар тақсимоти чизиқли

бўлган

p-n

-ўтишга хос кубли

боғланиш билан ифодаланади

С

-3

=

[12(

U+U

экстр

)]/[

qa

(

εε

0

)

2

(

S

p-n

)

3

],

(26)

бу ерда «

а

» концентрация градиенти бўлиб,

N(x)=a·х

тенглама билан

аниқланади ва нейтрон флюенси дозаси билан экспонециал боғланишда

а

=

а

(

Ф

=0)·exp(-

ВФ

).

(27)

22

Вольтфарад характеристикалар асосида ҳисобланган кучланиш чекла-
гичларнинг солиштирма қаршиликларидаги катта фарқдан қатъи назар,
иккала тур кучланиш чеклагичлари учун кучланиш ва экспонента даражаси

В

нинг қиймати бир-бирига яқин 2.6·10

-16

см

2

ва 3.8·10

-16

см

2

, улар ўртача

қийматдан (3.2·10

-16

см

2

) 30 % дан ортиқ фарқ қилмайди.

а

(

Ф

)/

а

(

Ф

=0)

градиентлар

нисбатининг

нейтронлар

флюенси

Ф

га

боғлиқлиги

экспериментал (нуқталар) ва ҳисобланган

(В

=3.2·10

-16

см

2

) учун exp(-

В·Ф

)

эгри чизиқ 5-расмда келтирилганидек, ўзаро мос тушади.

1-50 вольтли кучланиш чеклагичи;

2-200 вольтли кучланиш чеклагичи;

3- узлуксиз чизиқ ҳисоблаш натижаси

5-расм. Градиент

концентрациясининг

нурлантириш дозасига

боғлиқлиги

Тешилиш кучланишининг нейтрон флюенси (

Ф

) билан экспоненциал

боғланиши

)

10

6

.

6

exp(

)

0

(

/

)

(

17

Ф

Ф

U

Ф

U

теш

теш











(28)

билан эффектив концентрация градиенти билан нейтронлар флюенсининг
экспоненциал боғланишини таққослаш натижасида

p-n

-ўтиш тузилмасида

доза таъсиригача

а

нинг қийматидан қатъи назар, бу боғланишнинг

универсал эканлигини топамиз:

а

(

Ф

)/

а

(

Ф

=0)=exp(-3.2·10

-16

·

Ф

)

(29)

Чекланиш кучланиши ва тешилиш кучланишининг концентрация градиенти
билан дозали ўзаро боғланиши нейтронлар флюенси билан чекланиш кучла-
нишининг тўғри чизиқли боғланишида

а

(

Ф

)/

а

(

Ф

=0) нисбати экспериментал

нуқталарининг нейтрон флюенси

Ф

билан боғлиқлиги ва

В

=3.2·10

-16

см

2

да

ҳисобланган exp(-

В·Ф

) эгри чизиғи қониқарли тарзда мос тушган. Куч-

ланишни чеклаш режимида дифференциал қаршиликлар жуда кичик ва
кучланиш тушуви 100 мВ дан кам, шунинг учун чекланиш кучланиши
шаклланишида

U

чек

=

U

теш

+

I

чек

R

кетма-кет

(30)

базанинг кетма-кет қаршилиги муҳим роль ўйнайди

R

кетма-кет

=

R

база

+

R

уч.ўтиш

(31)

Ўз ўрнида

R

база

=

ρ

б

[(

d

мб

-W

)/

S

],

(32)

23

бу ерда

ρ

б

– нейтрал базанинг солиштирма қаршилиги;

d

мб

–

металлургик

p-n

-ўтишдан то

nn

+

контактгача бўлган масофа.

Электр майдони унча катта бўлмаган ҳажмий зарядлар соҳасининг

қарши-лиги қуйидаги муносабатдан аниқланади:

R

уч.ўтиш

=(

W

-

W

m

)

2

/(2·

εε

0

·S·V

тўйин

),

(33)

бу ерда

W

m

– зарбли ионланиш содир бўладиган ҳажмий зарядлар

сохасининг кенглиги,

тўйин

V

– тўйиниш кучланиши.

Бунда

R

.база

(

Ф

) боғланишни ҳисоблаш учун

ρ

б

(

Ф

) ва

W

(

Ф

) боғланишни

билиш зарур. Қатлам қалинлигининг флюенсга боғлиқлигини текис

p-n

-ўтиш

кенглигини ҳажмий заряд билан боғлиқлигининг классик ифодасидан
фойдаланган ҳолда ҳисоблаш мумкин

W

(

Ф

,

U

теш

)=[(12

εε

0

·U

теш

)/(

q·a

)]

1/3

. (34)

Тешилиш кучланишини ҳисоблаш ҳажмий заряд соҳасининг қалинлиги

ва нейтрон нурланиш таъсирида заряд ташувчиларнинг узоқлашиш
коэффициенти орқали амалга оширилади:

K

ρ

= 1/

k

n

n

0

(

Ф

=0)

0.77

.

(35)

Узоқлашиш коэффициенти қийматлари

n

- тип кремний учун ‒

k

n

=851,

p

-тип кремний учун ‒

k

р

=444 ни ташкил этади. Тешилиш ва чекловчи

кучланиш

ҳажмий заряд қатлами қалинлиги

W

m

ва солиштирма

қаршиликнинг ўзгариш домийлари

К

ρ

ҳисобланган қийматлари 5-жадвалда

келтирилган.

5-жадвал

Турли кучланиш чеклагичлари учун характеристик

параметрларнинг ҳисобланган қийматлари

КЧ типи

U

теш

, В

U

чек

, В

W,

10

-4

см

W

m

, 10

-4

см

K

ρ,

10-

16

см

2

КЧ 50 В

48.9

50.2

2.67·

1.09·

3.8·

КЧ 200 В

224.4

229.8

0.17·

8.4·

0.154

Нейтрон нурланишнинг чизиқли

p-n

-ўтиш структурасига таъсирини ўрганиш

нуқтаи назаридан, нурланиш натижасида

p-n

-ўтиш соҳаси яқинида ҳосил

бўладиган

i

-соҳа ўлчами ўзига хос аҳамият касб этади. Концентрация

градиенти билан нейтрон дозаси

а

(

Ф

) орасидаги боғланишнинг эмпирик

ифодаси (27) формулада келтирилган.

i

-соҳа ўлчамини қуйидаги муносабатдан аниқлаш мумкин:

W

i

=

W

c

W

a

;

W

c

(

Ф

,

U

) =

εε

0

∙

S

p-n

/

C

p-n

(

Ф

,

U

);

W

a

(

Ф

,

U

) =[12∙

εε

0

∙(

U+U

d

)]/

q·a

(

Ф

)}

1/3

. (36)

Ҳажмий зарядларнинг нейтронлар флюенсига боғлиқ ўзгариши қуйидаги
формула орқали ҳисобланган ва 6-расмда келтирилган.

W

i

(

Ф

,

U

=0)

= [0,053/

a

(

Ф

=0)

0.94

]∙

Ф.

(37)

Шундай қилиб, қатлам қалинлигининг нейтрон флюенси ва кучланиш-

га боғлиқлигини баҳолаш учун ифода аниқланган. Бу эса

р

+

nn

+

-

тузилманинг

24

а)

50 вольтли кучланиш чеклагичи

б) 200 вольтли кучланиш чеклагичи

6-расм. W

i

= F(Ф,U=0) нинг ҳисобли боғланишлари

ҳажмий заряд соҳасида юз бериши мумкин бўлган ўзгаришлар тўғрисида
маълумот олиш имконини беради. Бунда базада киришма концентрацияси
градиенти ўзгариши билан бир қаторда, диод тузилманинг тезкорлигини
белгиловчи ноасосий заряд ташувчиларнинг яшаш даври ҳам ўзгаради. Яшаш
даври қанча қисқа бўлса, шунча яхши. Иккала турдаги (50

В

ва 200В)

кучланиш чеклагичлари учун ноасосий заряд ташувчилари яшаш даврининг
нурланиш дозасига боғлиқлиги рекомбинация маркази таъсирига боғлиқ
бўлиб, минимал қийматга эга.

7-расмга кўра, юқорида башорат қилинганидек,

Ф

=1/b формула билан

аниқланадиган

τ

(

Ф

)

боғланишнинг минимум нуқтаси ҳақиқатан ҳам мавжуд.

а) 50 вольтли кучланиш чеклагичи

б) 200 вольтли кучланиш чеклагичи

1- ҳисоб натижаси; 2- экспериментал натижалар

7-расм. Кучланиш чеклагичлар учун τ(Ф) боғланишлари

Бунда

K

τ

(

Ф

) боғланишдаги минимум нуқтаси экспоненциал кўпайтма

билан аниқланади. Фикримизча, бу ҳолат яшаш даврини ҳисоблаш учун
(1/

τ

(0)

ҳисобга

олмаганда)

Мессенджер

моделидан

фойдаланиш

мумкинлигидан далолат беради.

)

exp(

)

(

Ф

b

А

Ф

K









(38)

ва

)

(

)

0

(

/

1

)

(

/

1

Ф

K

Ф











(39)

яъни





)

/(

)

exp(

)

(

Ф

А

Ф

b

Ф









.

(40)

Кўриниб турибдики, (40) ифода

25

b

Ф

/

1



(41)

нуқтада экстремум (минимум) га эга.

Шуни таъкидлаш жоизки, ноасосий заряд ташувчилар яшаш даврининг

нурланиш дозасига боғланиш эгри чизиғида қайрилиш пайдо бўлиши
нейтрон нурлантириш жараёнида рекомбинацион марказларнинг пайдо
бўлиш қонуниятида ўзгаришлар содир бўлганидан далолат беради. Яъни
чизиқли боғланишдан экспоненциал боғланишга ўтиш содир бўлади.

Текширишлар натижасига кўра, бошланғич тешилиш кучланиши

қандай бўлишидан қатъи назар, нурланиш дозаси ортиши билан тешилиш
кучланиши ортади. Бундай ҳолат тешилиш кучланишини зарурий номинал
кучланишга етказиб олишга асос бўлади ва тешилиш кучланишини
бошқаришдан фойдаланиб, ишлаб чиқарилаётган кучланиш чеклагичларни
номенклатурали кучланишлар 100 вольтли ва 200 вольтлига мос равишга
келтириб, яхшилашга олиб келади.

Табиийки, кучланиш чеклагичлари учун номинал кучланишдан фарқ

қилувчи (100В ва 200В) тешилиш кучланишининг флюенсга боғланишини
аниқлаш лозим. Жумладан, 100 вольтли кучланиш чеклагичлари учун
тешилиш кучланишлари 95 В, 96 В, 97 В, 98 В, 99 В бўлган намуналар ва ҳар
бирида 3÷4 намунадан ташкил топган 5 та гуруҳ ташкил қилинган. Шундай
аналогик намуналар гуруҳи 200 вольтли кучланиш чеклагичлари учун ҳам
ташкил қилинган.

8-расмда бу намуналар учун тешилиш кучланишини нейтронлар

флюенсига боғлиқлик графиклари келтирилган. Уларга асосан тешилиш
кучланиши номинал қийматдан қанча катта бўлса, намунани номинал
кучланишга етказиш учун шунча катта нейтронлар флюенси талаб этилади.

9 5

9 6

9 7

9 8

9 9

1 0 0

0 ,5

1 ,0

1 ,5

2 ,0

2 ,5

3 ,0

Ф · 1 0

1 4

, Н /с м

2

2

1

U

п р о б

, В

а) 100 вольтли кучланиш чеклагичлари

1 8 0

1 8 5

1 9 0

1 9 5

2 0 0

0

4

8

1 2

1 6

2 0

2

1

Ф · 1 0

1 4

, Н /с м

2

U

п р о б

, В

б) 200 вольтли кучланиш чеклагичлари

1‒ берилган тешилиш кучланишига тегишли

кучланиш чеклагичлар

ни нурлантириш

дозаси; 2‒

кучланиш чеклагичлар

ни нурлантиргандан сўнгги тешилиш кучланишлари

8-расм. Кучланиш чеклагичларининг оптимал нурлантириш

дозасининг бошланғич тешилиш кучланишига боғлиқлиги

Бошқача қилиб айтганда, бу ерда вольтли кучланиш чеклагичларини

номинал кучланишга келтирувчи нейтронлар флюенслари қийматлари билан
боғлиқлиги келтирилган. Ушбу

тешилиш кучланишларини нурланиш дозаси-

га боғлиқлигини керакли тешилиш кучланишига келтирувчи калибровка чи-

26

зиғи сифатида фойдаланиш мумкин.

Шундай қилиб, кремний асосидаги кучланиш чеклагичларини ва юқори

частотали диодларнинг технологиясини модернизация қилиш ва параметр-
ларини радиация таъсирида оптималлаштириш уларнинг эксплуатацион
параметрлари технологик фарқланишини, статистик қувват йўқолишини
камайтиришга ва яроқли диодлар чиқишини ошишига олиб келади.

ХУЛОСА

1. Кичик дифференциал қаршилик ва кам фарқли тешилиш

кучланишини таъминловчи кичик вольтли кучланиш чеклагичини олиш
технологияси маргимушни юқори концентрацияли манбадан ампулали
диффузия қилиш ёрдамида ишлаб чиқилган.

2. Кремнийли қувватли диодларга юқори адгезияли ва иссиқликни

самарали тарқатиш қобилияти билан фарқланадиган омик контакт олиш
усули ишлаб чиқилган. Бу усул

р-п

-ўтишли пластиналарнинг ҳар иккала

юзасига ванадий ва кумушнинг юпқа (0.1÷0.3 мкм) қатламларини сепишни ва
уларнинг кумушланган мисли иссиқлик компенсатори билан қотиштиришни
ўз ичига олади. Бундай контакт қувватли яримўтказгичли қуршаб олувчи
диодларда қўлланилади.

3. Тешилиш режимида кучланиш чеклагичлари қаршилигининг ток

билан боғлиқлигига асосланган илк бор киритилган «самарадорлик
коэффициенти» орқали уларни корпусга ўрнатишдан аввал саралаш усули
ишлаб чиқилган.

4. Кристалл ва иссиқлик компенсаторларининг оптимал ўлчамларини

ҳисоб-лаш ва жойлаштириш, шунингдек, ҳарорат потенциали генератори ва
иссиқлик оқими генератори сифатида номоён бўлиши хоссаларини
тушунтирувчи кучланиш чеклагичининг иссиқлик модели ишлаб чиқилган.

5. Чекланган кучланишни ўлчашнинг икки генераторли такомиллашган

усули ишлаб чиқилган, унинг ёрдамида тескари кучланиш ва генератор ҳосил
қилган токнинг импульс ташкил этувчисини ўлчаш таклиф қилинади.
Ўлчашнинг умумий хатолиги ~

%

2

бўлиб, маълум бўлган бир генераторли

усул хатолигидан уч марта кам.

6. Занжирда кучланиш ортиб кеганида истеъмолчини автоматик тарзда

уланиши ва узилишини таъминловчи, кучланиш чеклагичи асосида
радиоэлектрон аппаратураларнинг муҳофаза модули ишлаб чиқилган.

7. Юқори частотали тўғрилагич диодлар ва кучланиш чеклагич-

ларининг тешилиш кучланишини, ноасосий ток ташувчилари яшаш вақтини
ва тескари қаршиликнинг тикланиш вақтини, оптималлашни таъминловчи
радиацион технология ишлаб чиқилган.

8. Гамма ва электрон нурланишлари таъсирида бўлган юқори частотали

диодларда оптимал ўтиш характеристикаларини аниқлаб берувчи, тескари
ток ва тўғри кучланиш тушувини, ҳажмий заряд қалинлигини ҳисоблашнинг
муҳандислик услублари ишлаб чиқилган.

27

9. Қайтар тешилиши 14 В гача бўлган кичик вольтли кучланиш

чеклагичларини муҳофазалаш учун арсенид галлий асосида ток чекловчи
ишлаб чиқилган.

10. Кучланиш чеклагичларини ва юқори частотали диодларни олиш

технологияси, уларнинг функционал параметрларини текшириш усуллари
бўйича олинган натижалар ОАЖ «FOTON» ишлаб чиқаришида қўлланил-
моқда.

28

29

НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

ДОКТОРА НАУК 16.07.2013.FM/T.12.01 при ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМ

ИНСТИТУТЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ

«ФИЗИКА-СОЛНЦЕ», ИНСТИТУТЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ И

ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И САМАРКАНДСКОМ

ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

____________________________________________________

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РАХМАТОВ АХМАД ЗАЙНИДИНОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИ-

КОВЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ,

ОПТИМИЗАЦИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ТЕРМО- И

РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

01.04.10 – Физика полупроводников

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ташкент – 2014

30

Тема докторской диссертации зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии

при Кабинете Министров Республики Узбекистан, за номером

30.09.2014/В2014.5.Т 266

Докторская диссертация выполнена в Физико-техническом институте АН РУз и ОАО

«FOTON».

Полный текст докторской диссертации резмещен на веб-сайте Научного совета

16.07.2013.FM/T.12.01

при Физико-техническом институте, Институте ионно-плазменных и лазер-

ных технологий и Самаркандском государственном университете по адресу

kengash.fti.uz

Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размещен на

веб-странице научного совета по адресу

kengash.fti.uz

и Информационно-образовательном портале

“ZiyoNet” по адресу

www. ziyonet.uz

Научный консультант:

Каримов Абдулазиз Вахитович

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты

:

Улимов Виктор Николаевич

доктор технических наук, профессор

Касымахунова Анора Мамасадыковна

доктор технических наук, профессор

Тагаев Марат Баймуратович

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

Ташкентский государственный технический университет

Защита состоится «____»_____________2014 г. в ____часов на заседании одноразового на-

учного совета по специальности 01.04.10 (технические науки) на основе научного совета
16.07.2013.FM/T.12.01

при Физико-техническом институте, Институте ионно-плазменных и лазер-

ных технологий и Самаркандском государственном университете по адресу: 100084, г.Ташкент,
ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-42-91, e-mail:

lutp@uzsci.net

.

Докторская диссертация зарегистрирована в Информационно-ресурсном центре Физико-

технического института, за № 01, с которой можно ознакомиться в ИРЦ по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-30-41.

Автореферат диссертации разослан «___»______________2014 года
(протокол рассылки ___от ____________2014 г.).

С.Л. Лутпуллаев

Председатель научного совета по присуждению

учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор

М.Н. Турсунов

Учёный секретарь одноразового научного совета по присуждению

учёной степени доктора наук, д.т.н.

И.Г. Атабаев

Председатель научного семинара при Научном совете

по присуждению учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор

31

АННОТАЦИЯ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность и востребованность темы диссертации.

Согласно

постановления Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетах
развития промышленности республики Узбекистан в 2011 - 2015 годах» от 15
декабря 2010 года

повышение эффективности промышленного производства

является первостепенной задачей. В связи с этим

последовательное снижение

производственных затрат и себестоимости

полупроводниковых силовых дио-

дов (ограничители напряжения, высокочастотные выпрямительные диоды),
производимых ОАО «FOTON», предусматривает проведение целенаправлен-
ных работ по улучшению их параметров и надёжности, а также по оптимиза-
ции их технологии, что является важнейшей предпосылкой для повышения
конкурентоспособности выпускаемых приборов, а также сохранения сущест-
вующих и завоевания новых рынков сбыта.

В области защиты радиоэлектронной аппаратуры и предотвращения

выхода из строя электрических оборудований импульсными перенапряже-
ниями, поставленные учеными ведущих зарубежных стран США, Канады,
Голландии, Китая и Японии задачи разработки и исследования высоковольт-
ных ограничителей напряжения, а также стабилизирующих устройств на ос-
нове силовых диодов являются востребованными.

Эти силовые диоды широко применяются в устройствах преобразова-

ния электроэнергии, системах питания и управления технологическими про-
цессами. Для их изготовления используется диффузионная технология леги-
рования кремния примесями бора и фосфора, которая широко используется
для изготовления высоковольтных диодов. Однако применительно к низко-
вольтным ограничителям напряжения не позволяет получить низкие диффе-
ренциальные сопротивления, которое можно получить применением приме-
си, обеспечивающей резкое различие концентрации носителей на границе

р-

n

-перехода. Решение этой проблемы требует новых физических подходов,

позволяющих получить высококонцентрированный источник – диффузант,
который можно изготовить путем использования мышьяка. Кроме того эф-
фективность работы силовых диодов определяется резкостью характеристик
при пробойных напряжениях и номинальным коэффициентом ограничения.
В рабочем режиме силовые диоды под воздействием мощных импульсов вы-
деляют тепло и их оптимизация возможна на основе физического анализа те-
плопереноса по всей длине структуры, включая контактные области.

Востребованность диссертации вытекает из необходимости внедрения

усовершенствованных технологий, устройств разбраковки и защиты радио-
электронной аппаратуры, повышения выдерживаемой импульсной мощно-
сти, что связано с задачами, требующими целенаправленного подхода к про-
блемам снижения технологического брака и повышения надежности, расши-
рения области применения силовых диодов, а также снижения динамических
потерь мощности.

Данная диссертационная работа направлена на разработку технологии

получения низковольных ограничителей напряжения с малым разбросом

32

пробивных напряжений и низким дифференцальным сопротивлением, как в
прямом, так и в обратном направлениях, разработке радиационной техноло-
гии обеспечивающей оптимизацию пробивного напряжения, повышение бы-
стродействия и улучшение качества высокочастотных диодов.

Вместе с тем, в ряде случаев становится необходимым защита самих

приборов от непредсказуемого превышения токов в цепи, что требует разра-
ботки ограничителей токов, с параметрами обратимыми после прохождения
через них импульса тока.

Исходя из выше приведенного, комплексное изучение, как параметров

ограничителей напряжения и высокочастотных диодов, так и физических ас-
пектов технологии их изготовления (например, диффузией и радиационными
способами), направленных на оптимизацию конструкций и технологии изго-
товления силовых диодов и получение на этой основе оптимального сочета-
ния их параметров, в том числе с учётом требований к их радиационной
стойкости, является своевременной и актуальной.

Соответствие исследования приоритетным направлениям разви-

тия науки и технологий Республики Узбекистан.

Настоящая работа вы-

полнена в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и
технологий Республики Узбекистан ППИ-3-«Энергетика, энерго- ресурсос-
бережение, транспорт, машино- и приборостроение; развитие современной
электроники, микроэлектроники, фотоники и электронного приборострое-
ния».

Обзор международных научных исследований по теме диссерта-

ции.

Исследования технологии получения и эксплуатационных параметров

силовых полупроводниковых диодов различного вида (ограничителей на-
пряжения, стабилитронов, тиристоров, высокочастотных выпрямительно-
ограничительных диодов) с учетом потребности в радиоэлектронике, авто-
мобильной промышленности, набирают темпы и достигнуты определенные
успехи в США, Канаде, Англии, Голландии, Китае и России и др.

В публикациях ряда крупнейших компаний, таких как Philips Semicon-

ductors, STMicroelectronics, Littelfuse, Moeser Electronics, ON Semiconductor,
SGS-Thomson, Центр «СЭЛТ» и др. отмечено, что проводимые исследования
направлены на разработку силовых диодов с улучшенными параметрами,
удовлетворяющими постоянно возрастающие требования потребительского
рынка. В исследованиях большое внимание уделяется актуальности и вос-
требованности работ, посвященных повышению надежности и оптимизации
эксплуатационных параметров, силовых полупроводниковых приборов.

В связи с этим, разработка новых технологий изготовления силовых

приборов и модернизация существующих технологий находится в поле вни-
мания ведущих научно-исследовательских центров, в частности, разработчи-
ками фирмы Sigetronics Inc. показано, что применение эпитаксиальной тех-
нологии позволяет получить низковольтные ограничители напряжения с па-
раметрами, превосходящими параметры аналогов на основе диффузионной
технологии. Другим направлением исследований является изучение влияния
радиационного воздействия на параметры силовых диодов, которое позволя-

33

ет оптимизировать параметры диодов после завершения технологических
процессов. Например, учеными Швейцарии путем радиационного легирова-
ния базовой области кремниевого силового диода палладием получено
меньшее значение времени жизни неосновных носителей, чем при легирова-
нии платиной.

Степень изученности проблемы.

В последнее время интенсивно про-

водятся экспериментальные и теоретические работы, посвященные техноло-
гии создания и оптимизации параметров высокочастотных и ограничитель-
ных диодов на основе кремния. Большинство из них направлено на оптими-
зацию эксплуатационных параметров за счет конструктивных и схемотехни-
ческих решений, либо за счет использования комбинированных технологий
(лазерной технологии совместно с диффузионной, ионной имплантации с ра-
диационной). Однако вопросы модернизации существующей диффузионной
технологии и конструирования оптимальной арматуры, высокочастотных и
ограничительных диодов остаются без должного внимания. Успешное реше-
ние этой проблемы позволит без существенной реконструкции производства
улучшить не только параметры изделий, но и технико-экономические пока-
затели производства кремниевых

p



-n



-,

р



p-n



-

и

p



p-nn



-

структур.

Вместе с тем условия эксплуатации силовых высокочастотных и огра-

ничительных диодов налагают жесткие требования к их параметрам. Зачас-
тую в одной электронной схеме приходится использовать две пары, а то и
больше ограничителей напряжения, где их параметры должны быть строго
идентичными. Однако при проведении технологических операций по изго-
товлению приборных структур могут создаваться дефекты, приводящие к
разбросу их эксплуатационных характеристик. В связи с этим возникает не-
обходимость разработки технологии получения высокочастотных и ограни-
чительных диодов с заданными параметрами.

Известные к настоящему времени работы не содержат сведений о тех-

нологии изготовления полупроводниковых высокочастотных и ограничи-
тельных диодов с градиентом концентрации носителей в выпрямляющем пе-
реходе на базе диффузионной технологии и методах идентификации и опти-
мизации их эксплуатационных параметров, что является актуальной пробле-
мой на сегодня.

Применение радиационно-технологических процессов, может повы-

сить быстродействие, обеспечить надежность исходных структур силовых
приборов. В тоже время, каждый раз при выборе радиационного воздействия,
приходится решать проблему оптимального сочетания параметров изделий,
подвергшихся радиационной обработке. В результате возникает проблема
разработки общих подходов к выбору того или иного радиационного воздей-
ствия, которое обеспечит оптимальное сочетание параметров для диодов, чей

p-n

переход изготовлен различными технологическими методами (планарная

технология, меза-диффузионная и т.п.). Поэтому разработка таких методов
также является актуальной инженерной задачей, решение которой позволит
расширить область применения приборов этого класса (и, соответственно,

34

расширить рынки сбыта) не прибегая к дорогостоящим экспериментам с ис-
пользованием не всегда доступных источников радиации.

Другой проблемой является то, что известные методы, предназначен-

ные для исследования силовых приборов - ограничителей напряжения, высо-
кочастотных выпрямительных диодов не удовлетворяют по точности, а ис-
пользование известных методов определения параметров стабилитронов яв-
ляется некорректным.

Таким образом, известные к настоящему времени работы не содержат

сведений об оптимальной технологии и оптимизации параметров полупро-
водниковых высокочастотных и ограничительных диодов, что является акту-
альной проблемой на сегодня.

Связь

диссертационного

исследования

с

планами

научно-

исследовательских работ.

Работа выполнена в рамках Государственной

программы НИР ФТИ НПО «Физика-Солнце» А3-ФА-0-10-440 «Разработка
методов термической и электроимпульсной обработки для увеличения выхо-
да при производстве дефицитных групп полупроводниковых приборов (ОАО
«FOTON»)».

Целью исследования

является разработка оптимизированной диффу-

зионной технологии получения кремниевых диодных структур с уменьшен-
ными значениями дифференциального сопротивления и улучшение качества,
повышение надежности высокочастотных выпрямительных диодов и ограни-
чителей напряжения при радиационном воздействии.

В соответствии с поставленной целью решались следующие

задачи ис-

следования:

разработать технологию высоко концентрационной диффузии мышьяка

в кремний из неограниченного источника для изготовления низковольтных
структур с большим градиентом концентрации примесей на границе

p-n

-

перехода, чем при легировании фосфором, выдерживающих воздействие
кратковременных мощных импульсов перенапряжения;

разработать условия термо воздействия, обеспечивающие снижение

разброса основного электрического параметра, получаемых низковольтных

р-п-

переходов в кремнии от процесса к процессу;

разработать метод получения омического контакта с минимальным

эффектом переноса на границе материала контакта с полупроводником;

разработать универсальный, физически обоснованный метод измере-

ния функциональных параметров ограничителей напряжения. В данном слу-
чае требуется разработать усовершенствованную методику определения на-
пряжения ограничения с учетом режимов измерения и коэффициента эффек-
тивности ограничителей напряжения;

разработать тепловую модель ограничителя напряжения, объясняю-

щую процессы выделения и поглощения импульсной мощности в соответст-
вующих областях конструкции диода в зависимости от его режима включе-
ния;

определить оптимальные условия и режимы технологического радиа-

ционного воздействия на силовые выпрямительные диоды,

p-n-

переход кото-

35

рых изготовлен различными методами;

изучить влияние радиационного воздействия на напряжение пробоя и

ограничения ограничителей напряжения для идентификации их эксплуатаци-
онных параметров;

разработать ограничители тока на основе арсенида галлия для защиты

ограничителей напряжения.

Объектом исследования

являются низковольтные и высоковольтные

ограничители напряжения с

p

+

n

+

,

p

+

-n-n

+

, а также

p

+

-p-n-n

+

-структурами, вы-

сокочастотные выпрямительные диоды, изготавливаемые на основе кремния
и ограничители тока на основе арсенида галлия.

Предмет исследования

- процессы диффузионного легирования крем-

ния мышьяком, модели идентификации эксплуатационных параметров высо-
кочастотных диодов и ограничителей напряжения при воздействии радиаци-
онного излучения, способы получения омических контактов с улучшенной
адгезией к поверхности полупроводника.

Методы исследования.

В процессе исследования применены методы

вольтамперных и вольтемкостных характеристик; метод радиационного воз-
действия, зондовые методики определения поверхностного сопротивления,
методы дифференциальной проводимости, методы моделирования.

Научная новизна диссертационного исследования

заключается в

следующем:

впервые разработана технология получения низковольтных ограничи-

телей напряжения (меньше 7 В) на основе легированных мышьяком крем-
ниевых

р

+

-n

+

-структур для защиты блоков питания;

впервые разработан способ получения мощных кремниевых выпрями-

тельно-ограничительных диодов (10А) на основе кремниевых

р

+

-p-n-n

+

-

структур с эффективными теплоотводящими контактами, предназначенные
для использования в качестве выпрямителя, ограничителя и блокирующих
диодов;

разработан способ получения омического контакта к силовому диоду с

р

+

-р-n-n

+

-

переходом из трех слоев на основе ванадия и двух слоев серебра,

которые сплавляются при 450

,

С

о

в качестве теплоотводящего компенсатора

выбрана медная прослойка гальванически покрытая серебром;

разработан новый двухгенераторный метод измерения напряжения ог-

раничения в три раза меньшей погрешностью измерения по сравнению с из-
вестным одногенераторным методом;

впервые разработан полупроводниковый прибор на основе арсенида

галлия, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводи-
мости с омическим контактом, тонкий слой второго типа проводимости с
двумя омическими контактами отстоящими друг от друга на определенном
расстоянии, выводной электрод, присоединенный к омическому контакту;

разработана методика определения эффективности ограничения на-

пряжения из зависимости сопротивления диода от плотности тока в области
пробоя в широком диапазоне напряжений;

36

разработаны тепловые модели, основанные на расчете теплопередачи и

температуры перегрева

p-n

-перехода в режиме включения и подаче импульс-

ного напряжения в виде генератора температурного потенциала и генератора
теплового потока;

разработана инженерная методика определения соответствующего вида

радиационного технологического воздействия, которая позволяет получить
оптимальное сочетание параметров ограничителей напряжения и высокочас-
тотных диодов;

впервые разработано устройство защиты радиоэлектронной аппарату-

ры с индикацией момента выхода из строя ограничителей напряжения.

Практические результаты исследования

заключаются в следующем:

разработаны технологические условия получения низковольтных огра-

ничителей напряжения с близкой к металлической проводимости сильноле-
гированными областями, включающие оригинальные операции диффузии
мышьяка в кремний;

предложен усовершенствованный компенсационный метод исследова-

ния импульсных характеристик ограничителей напряжения, а также новый
метод определения их коэффициента эффективности ограничения напряже-
ния, основанный на токовой зависимости дифференциального сопротивле-
ния;

разработаны технологические и конструктивные аспекты изготовления

мощных

выпрямительно-ограничительных

блокирующих

диодов,

обеспечивающие повышение выдерживаемой мощности;

предложены методы оптимизации параметров высокочастотных и ог-

раничительных диодов и устройства защиты радиоэлектронной аппаратуры
по току и напряжению;

разработаны инженерные расчёты позволяющие находить оптималь-

ные материалы и конструкторские решения для ограничителей напряжения
согласно требованиям потребительского рынка, направленные на расшире-
ние их сбыта и увеличение конкурентоспособности;

предложены методы инженерного расчёта эксплуатационных парамет-

ров ограничительных диодов, которые дали возможность прогнозирования
временных характеристик ограничителей напряжения под воздействием ней-
тронного облучения;

разработаны инженерные методы расчёта основных параметров высо-

кочастотных выпрямительных диодов позволяющие прогнозировать

пара-

метры изделий после радиационного воздействия, подбирать оптимальную
дозу облучения и тем самым повысить воспроизводимость технологического
процесса и выход годных приборов.

Достоверность полученных результатов

подтверждается применени-

ем при изучении физических процессов обшепринятых научных методов,
стандартных и апробированных в заводских условиях методики исследова-
ния. Выводы основаны на экспериментальных данных, согласующихся с тео-
ретическими расчетами.

37

Теоретическая и практическая значимость результатов исследова-

ния.

Разработанные ограничители напряжения, выпрямительно-ограничи-

тельные блокирующие диоды используются для защиты радиоэлектронной
аппаратуры от перенапряжений, в электрических цепях постоянного и пере-
менного тока, а высокочастотные диоды используются в устройствах вы-
прямления и преобразования энергии.

Внедрение результатов исследования.

В ходе выполнения диссерта-

ционной работы получены 3 патента Республики Узбекистан (№ IAP 04599
04.10.2012г., № IAP 04721 03.05.2013г., № IAP 04571 22.08.2012г.) и Патент
Российской Федерации (№ 2522786 21.05.2014г.). По результатам исследова-
ний разработаны технологии изготовления высокочастотных выпрямитель-
но-ограничительных диодов и низковольтных ограничителей напряжения, а
также методы оптимизации характеристик ограничителей напряжения и вне-
дрены в производство в ОАО «FOTON», годовой экономический эффект ко-
торого составил 78 млн. сумм. (Акт внедрения от 12.12.2013г. Ассоциации
«Узэлтехсаноат»).

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладыва-

лись и обсуждались на международных и республиканских конференциях:
«Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2011);
(Одесса, 2013); «Фундаментальные и прикладные вопросы физики» (Таш-
кент, 2010); «Современные информационные и электронные технологии»
(Одесса, 2010, 2013); «Young Scientists Conf. Optics and High Tech. Mater. Sci.
SPO-2010 (Kyiv, 2010); «Современные техника и технологии горно-
металлургической отрасли и пути их развития» (Навои, 2010); II-
Международная конференция по оптическим и фотоэлектрическим явлениям
в полупроводниковых микро- и нано структурах» (Фергана, 2011). «Interna-
tional Conference Nuclear science and its application» (Samarkand (Uzbekistan)
September 25-28, 2012).

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены

(май 2014) на расширенном семинаре по направлению физики полупровод-
ников при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз, а
также в одноразовом Научном семинаре (август 2014) при Научном совете
16.07.2013.FM/T.12.01

при Физико-техническом институте АН РУз, Институ-

те ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз и Самаркандском госу-
дарственном университете по присуждению ученой степени доктора наук по
специальности 01.04.10-Физика полупроводников (технические науки).

Опубликованность результатов.

Полученные результаты отражены в

35 научных трудах, которые полностью отражают ее содержание. В том чис-
ле 18 статьей опубликованы в реферируемых зарубежных и 2 в республикан-
ских журналах, а 11 в трудах международных и республиканских конферен-
ций, получены 4 патента.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,

пяти глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 203 страницах
машинописного текста, содержит 88 рисунка, 12 таблиц, включая цитиро-
ванную литературу из 139 наименований.

38

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении

обоснована актуальность проблемы и темы диссертаци-

онной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практиче-
ская значимость работы, приведены основные положения, выносимые на за-
щиту.

В первой главе

приведен

обзор литературных данных по состоянию

и проблемам оптимизации параметров высокочастотных диодов и ограничи-
телей напряжения. Рассмотрены конструктивные и схемотехнические пути
оптимизации параметров силовых диодов, проанализированы технологии по-
лучения низковольтных силовых диодов с

p



-n



-переходом. Проанализиро-

ваны известные методы измерения параметров и повышения эффективности
ограничителей напряжения, а также радиационные методы оптимизации па-
раметров полупроводниковых приборов. Сделано заключение, что разработ-
ка высококонцентрационной диффузии мышьяка в кремний позволит полу-
чить лучшие электрические параметры низковольтных структур с

p



-n



-

переходом, чем при легировании фосфором. Такие параметры как напряже-
ние пробоя, быстродействие высокочастотных диодов и ограничителей на-
пряжения могут быть оптимизированы путем воздействия радиационным из-
лучением.

Во второй главе

приводятся физико-технологические аспекты созда-

ния низковольтных ограничителей напряжения диффузией мышьяка в крем-
ний из неограниченного источника, технология изготовления мощных вы-
прямительно-ограничительных диодов, способ получения омического кон-
такта с улучшенной адгезией к поверхности полупроводника, основные ха-
рактеристики

силовых диодов на основе кремниевых

p



-n



, p



-n-n



и p



р-n-

n



-

структур.

На основе изучения физико-технологических аспектов создания низко-

вольтных ограничителей напряжения методом ампульной диффузии мышья-
ка в кремний впервые подобран состав диффузанта (450 мг

As

, 5 г

Si

) обеспе-

чивающий, в отличие от традиционной диффузии фосфора, высокую поверх-
ностную концентрацию и малый разброс напряжения пробоя низковольтных

p



-n



-

переходов, как приведено в таблице 1.

Сравнение пробойных характеристик низковольтных ограничителей

напряжения легированных мышьяком, фосфором, а также зарубежного ана-
лога показало, что для ограничителя напряжения изготовленного диффузией
мышьяка наблюдается свойственный эффективным ограничителям напряже-
ния резкий переход из низкопроводящего состояния в высокопроводящее,
(рис. 1).

Для снижения потерь мощности исследуемых диодов связанных с кон-

тактами, в качестве материала омического контакта вместо никеля и золота
предложено использовать ванадий с двухслойным нанесением серебра. Бла-
годаря лучшим адгезионным и тепловым свойствам предлагаемого материала
контакта его также использовали при изготовлении выпрямительно-ограни-
чительных блокирующих диодов.

39

Таблица 1

Средние квадратичные отклонения напряжений пробоя

р-п- переходов для разных источников диффузии

базы



,

Ом



см

150 мг

As

U, В

200 мг

As

U, В

350 мг

As

U, В

Лигату-
ра*

U, В

250 мг

As

,

5 г

Si

U, В

450 мг

As

,

5 г

Si

U, В

0.001

1.23

0.67

0.54

0.25

0.10

0.08

0.002

1.17

0.50

0.83

0.37

0.15

0.18

0.003

0.81

0.28

0.35

0.30

0.18

0.16

0.005

0.30

0.23

0.37

0.32

0.23

0.18

0.008

0.54

0.40

0.41

0.47

0.33

0.24

*лигатура представляет собой порошок кремния

р

-типа отожженный в вакууме в при-

сутствии мышьяка при 1000

0

С в течение 48 ч. и затем измельчен в ступке

Впервые разработанная технология изготовления выпрямительно-огра-

ничительного блокирующего диода с

p



р-n-n



-

структурой включает в себя

получение области

р

-типа проводимости и сильнолегированных областей

n



-

и

р



-типа проводимости методом диффузии, напыление на обе поверхности

0,0

4,0x 10

-5

8 ,0 x10

-5

1,2 x1 0

-4

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

R /R

м акс

I

о бр

, А

2

1

1

A s

2

P

Рис. 1.

Зависимости дифферен-

циального сопротивления огра-

ничителя напряжения от

обратного тока

тонких слоев (0.1÷0.3 мкм) ванадия и серебра, а также их сплавление с посе-
ребренным медным диском вместо вольфрамового диска. В отличие от ана-
лога улучшенные теплоотводящие свойства разработанного диода при токах
до 10А предотвращают разогрев диода, а обратные токи более устойчивы
температурным воздействиям и пробой

р-п

-перехода является обратимым. В

высоковольтных ограничителях напряжения с

p



-n-n



-

структурой получен-

ных диффузией бора и фосфора в кремний

п

-типа проводимости напряжения

пробоя носят лавинный характер, а требуемые напряжения пробоя можно
получить, подбирая удельное сопротивление базовой области или путем
комбинации низковольтного и высоковольтного ограничителей напряжения,
мощности можно изменять за счет их параллельного соединения.

Третья глава

посвящена новым методам исследования основных па-

раметров силовых диодов и устройствам защиты радиоэлектронной аппара-
туры. Описана предложенная методика определения эффективности ограни-
чения напряжения диодных структур, приведено техническое описание усо-
вершенствованной установки измерения основных параметров ограничите-
лей напряжения, а также изложены принципы действия предлагаемого поле-
вого диода и разработанного устройства защиты радиоэлектронной аппара-
туры.

40

На основе изучения взаимосвязи коэффициента ограничения опреде-

ляемого в импульсном режиме

проб

имп

огр

имп

огр

U

U

К

/

.

.



с введенным коэффициен-

том эффективности при заданных токах предложено осуществлять отбраков-
ку низковольтных ограничителей напряжения не отвечающих технологиче-
ским нормам параметров в ранней стадии до установки на корпуса. Коэффи-
циент эффективности представляет собой степень изменения напряжения на
ограничителе напряжения при изменении обратного тока

проб

огр

проб

D

огр

D

I

I

R

R

R

R

Z

ln

ln

)

/

ln(

)

/

ln(

max

max







,

(1)

то есть чем меньше изменение напряжения для заданного интервала тока, тем
качественнее ограничитель напряжения. Действительно сравнение данных
характеристических параметров ограничителя напряжения в зависимости от
легирующей примеси показали, что образцы, изготовленные путем легирова-
ния мышьяком, имеют меньший разброс по напряжению пробоя и выдержи-
вают большую импульсную мощность, чем образцы легированные фосфо-
ром, (табл. 2).

Таблица 2

Данные характеристических параметров ограничителей напряжения

в зависимости от легирующей примеси

U

проб

, В

U

проб

, В

№ об

раз-

ца

1 мА

4 мА

Z

К

огр.и

Р

и,

кВт

1 мА

4 мА

Z

К

огр.и

Р

и,

кВт

7.5 В ограничители напряжения

легированные мышьяком

8 В ограничители напряжения легиро-

ванные фосфором

1

7.35

7.52

0.99

1.19

1.85

8.35

9.0

0.87

1.4

1.5

2

7.39

7.53

0.99

1.18

1.9

8.35

8.8

0.9

1.5

1.6

3

7.38

7,58

0.98

1.21

1.85

8.14

8.9

0.86

1.38

1.5

4

7.4

7.6

0.9

1.18

1.85

7.7

8.7

0.84

1.42

1.6

5

7.44

7.62

0.99

1.24

1.85

7.9

8.6

0.86

1.39

1.6

6

7.4

7.65

0.99

1.22

1.78

8

8.8

0.85

1.4

1.58

7

7.6

7.75

0.98

1.22

1.8

8.2

8.9

0.87

1.38

1.5

Следует отметить, что измерения параметров мощных ограничителей

напряжения проводили усовершенствованным двухгенераторным методом с
меньшей погрешностью, по сравнению с известным прямым методом, кото-
рый не обеспечивает требуемую погрешность измерения из-за зависимости
абсолютной величины погрешности измерения от плотности тока.

Двухгенераторный метод основан на математической модели опреде-

ления напряжения ограничения

U

огр

=U

проб

+r

d

·I

max

,

(2)

где

r

d

– дифференциальное сопротивление в области пробоя. Так как

переменная составляющая напряжения ограничения для всех ограничитель-
ных диодов не превышает 20

%U

огр

, то в предлагаемом методе измерение

U

огр

41

заменяется измерением постоянного обратного напряжения

U

проб

и малой

импульсной составляющей

U

^

= r

d

·I

max

.

Измерение

U

проб

производят с помощью вольтметра постоянного тока

(комбинированный прибор Щ-300 с погрешностью не более 1%). Блок пита-
ния БП1 обеспечивает максимальный импульсный ток

I

max

и выходное на-

пряжение













max

0

max

0

1

5

1

I

R

R

U

I

R

R

U

U

U

из

огр

из

проб

огр

БП















. (3)

Необходимая мощность на блоке питания

ΔP

БП

=0,8U

огр

·I

max

меньше,

чем у блока питания прямого метода измерения. Блок питания БП2 обеспе-
чивает постоянное обратное напряжение и напряжение пробоя

U

БП2

=U

проб

с

погрешностью не более 2%, которое измеряется и контролируется вольтмет-
ром постоянного напряжения (

V

П

),

δ

VП

=1%. В результате общая погрешность

измерения в новом методе напряжения ограничения составляет до

%

2

.

Одним из назначений разрабатываемых ограничителей напряжения яв-

ляется обеспечение заданного напряжения на входе защищаемой цепи. Одна-
ко при превышении допустимого порогового напряжения пробоя ограничи-
тель напряжения может выйти из строя за счет необратимого пробоя. Поэто-
му для его защиты требуются ограничители тока, обеспечивающие заданный
ограниченный ток. Эти условия могут быть удовлетворены с помощью моду-
ля защиты и ограничителя тока.

Впервые разработанный модуль защиты радиоэлектронной аппаратуры

предназначен для предотвращения выхода из строя различной техники (ком-
пьютер, телевизор и т.д.) и входящего в его состав ограничителя напряжения.
Радиоэлектронная аппаратура подключается к разработанному модулю за-
щиты через симистор, управляемый светодиодами, светящимися при скачке
напряжения в сети, как приведено на рис. 2.

Принцип его работы состоит в том, что излучение от светодиода будет

поступать на двухбарьерный фотодиод, фототок которого приведет к запира-
нию симистора и отключению питания радиоэлектронной аппаратуры. По
окончании импульса напряжения аппаратура опять включается. Особенность
токовой характеристики впервые разработанного полупроводникового поле-
вого диода, то есть неизменность тока в широком диапазоне напряжений от
участка насыщения до пробойного придает ему свойства стабилизатора тока.

Рис. 2. Модуль защиты

радиоэлектронной аппаратуры

Это свойство используется для пре-
дотвращения от необратимого пробоя
низковольтного ограничителя напря-
жения. Принцип работы предлагае-
мого полевого диода идентичен дей-
ствию полевого транзистора, исток
которого закорочен на затвор. То есть
является двухполюсником, последо-
вательно соединяемым к ограничите-
лю напряжения.

42

Величина тока в широком диапазоне напряжений на участке насыще-

ния управляется световым излучением.

В четвертой главе

рассмотрены временные характеристики, процессы

теплопереноса в стационарном режиме, выделения и поглощения импульс-
ной мощности в динамическом режиме.

В стационарном режиме пробоя теплоперенос в ограничителе напря-

жения объясняется одномерной моделью благодаря распространению выде-
ляемого в области объемного заряда тепла по аксиальной составляющей к
контактам и описывается дифференциальным уравнением

 

2

2

'

dV

t

dP

dx

T

d

dt

dT

c

v









(4)

где:

λ

– удельная теплопроводность;

с

v

- удельная теплоемкость;

'



– плотность вещества;

P(t)

– мощность;

V

– объем рассматриваемой

области. При граничных значениях

корпус

Т

D

Т



)

2

/

(

температура перехода не

зависит от площади теплоотвода, а зависит от его массы



















'

C

t

R

Р

Т

имп

T

(5)

где

имп

t

- длительность импульса,

'

C

- теплоемкость корпуса.

При подаче резко растущего импульса обратного тока на ограничитель

напряжения через него будет протекать емкостной ток и при достижении на-
пряжения пробоя он включается. Время необходимое для его полного вклю-
чения будет определяться выражением

e

B

n

p

s

вкл

t

j

N

qW

j

E

t









2

max

0







(6)

состоящем из времени заряда барьерной емкости

p-n-

перехода

(7)

и времени распространения ударной волны

j

N

qW

W

t

B

n

p

уд

n

p

уд

2

2











(8)

плюс времени релаксации энергии

сек

t

e

12

10

~



От подаваемого стандартного импульса ограничитель напряжения

включается, выделяя тепловую энергию, определяемую прилагаемой мощно-
стью и временем включения

вкл

вкл

вкл

W

q

IR

t

R

I

t

P

Q

0

0

2

2

1

2

2







(9)

43

В то же время тепловая энергия, выделяемая в обедненной области пропор-
циональна приращению температуры, удельной теплоемкости, плотности по-
лупроводника и объема обедненной области





W

v

ext

W

W

c

T

T

Q

V

0











,

(10)

При этом температура обедненной области

p-n

-перехода после включения

определяется отношением произведения тока, сопротивления перехода, ко-
личества заряда к теплоемкости обедненной области

W

W

T

вкл

T

вкл

W

v

вкл

окр

W

C

IRq

C

t

R

I

V

Rt

I

T

T

2

2

с

2

0

2

2











(11)

Температурный потенциал (

р

Т

) создаваемый в ограничителе напряжения оп-

ределяется соотношением

имп

t

вкл

имп

окр

р

e

I

q

T

T

T





2

max

max

2









(12)

На линейном участке нарастания температуры температурный потенциал оп-
ределяется следующим выражением:

t

C

q

R

C

q

R

t

I

T

T

T

Tw

w

Tw

w

i

2

2

)

(

0

0

0













(13)

После окончания процесса включения температура обедненной области

p-n

-

перехода принимает максимальное значение и определяется следующей
формулой:

2

0

0

Tw

w

m

w

m

C

q

R

I

T

T

T









(14)

В режиме включения диода

температура

p-n-

перехода уменьшается

быстрее, чем уменьшение тока, поэтому

p-n

-переход выступает как генератор

температурного потенциала. Согласно формулы (9), опысывающей тепловую
энергию в динамическом режиме, тепловой поток определяеться отношением
к времени включения произведения максимального тока к тепловому сопро-
тивлению:

вкл

t

Rt

I

dt

dQ

Ф

2

max

1





(15)

и линейно зависит от времени, принимая максимальное значение при

t=t

вкл

:

P

R

I

Ф







2

max

max

.

(16)

Принимая уменьшение тока на участке спада импульса экспоненциальной

имп

t

e

I

I







max

, а тепловую энергию равной

имп

t

e

RtI

Q



2

2

max





, для теплового потока

имеем

44





























имп

t

t

имп

t

t

e

RI

e

RI

t

e

RI

dt

dQ

Ф

имп

имп

имп











2

1

2

2

2

max

2

2

max

2

2

max

2

или

имп

имп

t

t

Pe

e

RI

Ф





2

2

2

max

2









.

(17)

Так как тепловой процесс должен идти с тепловой постоянной

,

1

Tw

Tw

T

C

R





(

2

1

проб

Tw

вкл

Tw

U

C

Rq

R



) поэтому тепловой поток определяется выражени-

ем

2

2

T

t

Рe

Ф







.

(18)

Таким образом, обедненная область

p-n-

перехода ограничительного

диода при воздействии стандартного импульса рассматривается как генера-
тор теплового потока, который проходит через ее границы на фронте им-
пульса и при включении

достигает

максимального значения равного подво-

димой мощности.

В пятой главе

приведены результаты исследования влияния радиаци-

онного облучения на функциональные характеристики высокочастотных вы-
прямительных диодов и ограничителей напряжения.

а) вид сверху

б) поперечный разрез структуры диода

Рис. 3. Геометрический разрез планарного высокочастотного диода

Радиационному воздействию подвергались высокочастотные планар-

ные диоды, а также диффузионные диоды, геометрический разрез которых
приведен на рис. 3 и 4. Образцы, выбранные для исследований, отличались

Рис. 4. Геометрический разрез

диффузионного высокочас-

тотного диода

45

минимальным разбросом по падению напряжения, прямому и обратному то-
ку, обратному напряжению, а также по времени восстановления обратного
тока (

U

F

,

I

F

,

I

R

,

U

R

,

t

rr

), где

U

F

=(0.92÷0.93) В (при

I

F

= 1A,

I

R

= (15±2) нA,

U

R

=

200 В);

t

rr

≤ (150±10) 10

-9

сек (при

I

F

/I

R

= 1 и уровне отсчета 0.1 А). Облучение

образцов гамма-квантами проводилось на гамма установке ИЯФ АН Респуб-
лики Узбекистан, а облучение электронами на ускорителе электронов типа
У-003 в ОАО «FOTON». Средняя энергия гамма-квантов при облучении дио-
дов на гамма установке соответствовала гамма-излучению Co

60

(~1.25 MэВ) c

интенсивностью ~10

12

см

-2

сек

-1

. Точность определения потока гамма-квантов

(

Ф

γ

), которым облучались диоды, составляла 5 %. Средняя энергия электро-

нов при облучении диодов электронами составляла (4÷4.5) MэВ с интенсив-
ностью ~ (2.5÷3) 10

11

см

-2

сек

-1

. Точность определения флюенса электронов

(

Ф

е

), которым облучались диоды, составляла ~15%.

Для высокочастотных планарных структур величина Δ(1/

t

p

) прямо-

пропорциональна потоку гамма-квантов (

Ф

γ

) и флюенсу электронов (

Ф

е

)

Δ(1/

p



)

γ

=

Kt

γ

·Ф

γ

и Δ(1/

p



)

e

=

Kt

e

·Ф

е

. Подобная зависимость константы повреж-

даемости от дозы облучения согласно теории рекомбинации Шокли-Рида
связана с А-центром, расположенным на расстоянии ~ 0.17 эВ от дна зоны
проводимости.

Рассчитанные на основе экспериментальных данных величи-

ны констант повреждаемости имеют значения

Kt

γ

= 3.35·10

-11

см

2

/с

и

Kt

e

=

2.5·10

-8

см

2

/с очень близкие к литературным данным.

Величины экспериментально наблюдаемых значений обратных токов

I

r01γ

и

I

r01е

лежат в интервале от 3.7∙10

-8

А до 5∙10

-8

А, что весьма близки к вы-

численным максимальным значениям

A

I

rs

9

max

10

50







. Слабую зависимость

обратного тока (увеличение на 15÷20%) от дозы (флюенса) гамма излучения

Ф

γ

= (2-14)·10

17

см

-2

и электронов

Ф

e

= (2.5÷20)·10

14

e/см

2

можно связать с об-

разованными Е-центрами, расположенными на расстоянии

E

m

= - 0.4 eV от

дна зоны проводимости. Величина обратного тока после облучения гамма-
квантами Cо

60

на 15%÷20% меньше, чем при облучении их электронами с

энергией 4÷4.5 MэВ, то есть гамма-облучение является более оптимальным
воздействием, чем облучение электронами. При этом

зависимости падения

напряжения от времени восстановления обратного сопротив-ления

U

F

=

f(

t

rr

)

для обоих видов облучения полностью совпадают друг с другом, соответ-
ственно оба вида облучения (гамма-квантами Cо

60

и электронами с энергией

4÷4.5 MэВ) идентичны с точки зрения соотношения между

t

rr

и

U

F

.

По мере

увеличения дозы облучения падение напряжения увеличивается до 1.2В, а
время восстановления обратного сопротивления уменьшается со 150нс до 10
нс, повышая быстродействие ограничительных диодов. Высокочастотные
диффузионные диоды, подвергаемые гамма и электронному воздействию
имеют минимальный разброс по исследуемым параметрам. Прямое падение
напряжения

U

F

=0.75÷0.8В при прямом токе

I

F

=10A, обратный ток

I

R

~

0.5÷0.7 мкА и 0.7÷1.0 мкА при обратном напряжении

U

R

= 100 В и 200 В со-

ответственно, время восстановления обратного сопротивления

τ

rr

≤

2.8±0.2∙10

-6

с при

I

F

= 1A,

I

F

/

I

R

= 1 и обратном токе 0.1 А.

46

Зависимости Δ(1/

t

p

) от

Ф

γ