用于电子加速器的串联二极管退化问题研究

白天旭， 张小玲， 谢雪松， 王伟岩

（北京工业大学信息学部， 北京 100124）

0 引言

电子加速器是利用电磁场将正负电子、 质子和轻重离子等带电粒子加速的装置。 人们起初利用电子加速器来探索原子结构， 而现在它的应用已经涉及方方面面， 例如： 工业方面的工业探伤、辐照加工； 农业方面的良种培育、 食品辐照保鲜；医疗方面的放射治疗、 医疗设备杀菌等等[1]。

串联二极管是高压电子加速器产生高电压的主要结构， 为了获得高电压， 常常将数十个甚至几百个二极管串联起来使用。 由于电路中寄生参数影响和二极管本身参数的不均匀性， 会使得串联的二极管之间的电压分布不均匀， 一旦有一只二极管被击穿， 就会导致其他二极管被连锁击穿[2-3]。因此提高串联二极管的可靠性是一个重要议题。

文献[3] 详细地分析了串联二极管反向运行时的等效电路， 认为电路中的分布电容是产生电压不均的主要因素； 文献[4-5] 研究了串联的二极管静态和动态工作时电压不均的原因， 其采用并联均压电阻和均压电容的方法来进行电压均衡；文献[6] 研究了机械振动、 负载特性和二极管参数对串联二极管的影响， 得到故障由感性负载特性和二极管的反向恢复特性不一致等因素共同导致； 文献[7-8] 都认为串联二极管动态工作时的电压不均是由于二极管反向恢复特性的不一致性所导致。

虽然人们已经对串联二极管进行了一些研究，但是只从电路的角度进行分析， 给出电压、 电流的分配情况， 以及对电压不均匀的问题进行解决。本文从新的角度出发， 观测电路经过一段时间的工作后二极管内部的电学特性变化情况， 对比串联二极管参数的退化程度， 找出导致串联二极管发生损坏的根本原因， 给出提高串联二极管可靠性的方法。

1 电子加速器的工作原理

倍压高压加速器是电子加速器的一种， 由于其能够输出高强度的电子束， 并且有内部结构简单、 成本低廉和制造较容易的特点， 因而在各个行业中得到了广泛的应用。 倍压高压电源是加速器的核心部件， 它是利用倍压整流电路实现电压放大的。 以二倍压整流电路为例， 其原理图如图1所示。 该电路的工作原理如下： 当变压器上正下负时， 二极管D1、 D2导通， D3、 D4截止， 电流将C1充电至当变压器上负下正时， 二极管D3、 D4导通， D1、 D2截止， 这时， C1与电源串联起来共同对电容C2充电， C2上得到的电压基本上就是了[9-10]。

图1 二倍压整流电路示意图

从原理图中可以得知， 串联二极管在电子加速器中交替承受正反向电压。 而且在实际的电子加速器中， 串联的二极管可达上百个， 是容易发生损坏的结构。 因此本文以串联二极管作为研究目标， 通过老化试验研究其在正反向脉冲应力下的退化情况。

2 实验及结果

实验选用的二极管的型号与电子加速器中所用的二极管一致， 为BYV26D 型PIN 二极管， 其正向导通电压为0.4 V， 反向击穿电压为900 V，反向漏电流在微安级。 利用IGBT 全桥电路产生正负方波脉冲电压[11]， 通过升压变压器将电压升高到3 000 V， 然后串联限流电阻后施加到10 只串联二极管的两端， 使得每只二极管能够交替工作于正向电压1 V， 反向电压300 V 的条件， 电路的原理图如图2 所示。 每工作30～40 h， 就分别测量每只二极管的正反向I-V 特性， 测试的环境温度为22±0.5 ℃， 为了防止周围的电磁对测量产生影响， 每次测试都把二极管放在屏蔽盒中进行。 测量二极管的正向特性所用的仪器为KEITHLEY 4200-SCS 半导体参数分析仪， 测量反向特性所用的仪器为Tektronix 370A 晶体管图示仪。

经过300 h 的交流脉冲应力退化实验之后， 10只二极管的正反向I-V 特性均发生了一定程度的变化。 以7 号二极管为例， 其在半对数坐标下的正向I-V 特性如图3 所示。 可见二极管的正向小电压段的电流随退化时间是增加的， 且变化超过一个数量级。 通过对比， 发现其他9 只二极管的正向I-V 特性也有同样的变化规律。 取正向电压1 V对应的电流， 绘制电流随退化时间的变化曲线，如图4 所示。 可见正向大电压段的电流随退化时间是先增大后减小的。

通过测量二极管的反向特性， 发现10 只二极管的反向漏电流也是随退化时间逐渐地增大的，取500 V 电压对应的反向漏电流绘制电流随退化时间变化的曲线， 如图5 所示。

图2 IGBT 全桥电路示意图

图3 半对数坐标下7 号二极管的正向I-V 特性

图4 正向电压1 V 对应的电流随退化时间变化的曲线

图5 反向电压500 V 对应的漏电流随退化时间变化的曲线

3 分析与讨论

由于二极管的理想因子能够反映出内部产生、复合电流的比例与二极管品质的优劣相关。 因此本文以理想因子作为退化参数， 对交流脉冲应力下串联二极管的退化情况进行描述。

在考虑了串联电阻的情况下， 二极管的电流电压方程为[12]：

式（1） 中： RS——串联电阻；

n——理想因子；

k——玻尔兹曼常数；

T——热力学温度；

q——电子电荷量。

将式（1） 等号两边同时对I 求导数， 再乘以电流I， 可得：

通常情况下， 利用二极管正向I-V 特性的中等电压段来拟合理想因子， 对于本实验所用的二极管即为正向电压0.33～0.54 V 段， 通过拟合计算， 随机选取5 只二极管绘制出理想因子n 随退化时间变化的曲线如图6 所示。 由图6 可见， 10只二极管中等电压段的理想因子是随退化时间逐渐地增大的， 这与正向小电压段和反向电流的变化情况的符合度较好。 理想因子的增大意味着二极管内部复合电流的成分增加， 这种现象主要是高反向电压造成的。 在高电压下， 载流子会获得足够的能量， 高能量的载流子会对有源区造成缺陷，这些缺陷在二极管中作为非辐射复合中心[13-14]，并随着时间逐渐地增加， 导致二极管的非辐射复合电流增大， 并可能引起陷阱辅助隧穿效应[15]。最终二极管的I-V 特性表现为正向小电压段的电流和反向漏电流随退化时间逐渐地增加。

图6 中等电压段理想因子随退化时间变化的曲线

然而， 图6 中的理想因子并不能反映出二极管正向大电压段的电流先增大后减小的行为。 因此考虑拟合出二极管正向大电压段（≥0.54 V） 的理想因子， 随机地选取其中的5 只二极管， 绘制大电压段理想因子随时间变化的曲线如图7 所示。可见， 大电压段的理想因子是随退化时间先减小后增大的， 因此大电压段的理想因子更能反映出大电压段的退化情况。

通过对比图4 和图7， 可以看出大电压段的理想因子与电流恰好有相反的变化趋势。 大电压段的电流主要受到串联电阻的影响， 因此认为是欧姆接触发生退化导致的这种现象。 由于在Si 的表面存在着一层天然的SiO2膜， 使得在制作欧姆接触时， Al 与Si 的接触界面是不均匀的[16]。 在器件工作的初期， Al 会在脉冲应力的作用下穿透SiO2膜， 使器件形成良好的欧姆接触。 另外， 由于器件的欧姆接触不良， 会增加器件表面的局部发热。重复的电流脉冲会引起二极管发热， 从而在器件工作的前几十个小时使欧姆接触发生退火。 这种自退火也可以改善欧姆接触， 最终使二极管的正向电压稳定， 从而导致正向电流逐渐地增大[17]。随着实验的继续进行， 欧姆接触层中的金属铝逐渐地被冲击出来， 发生电迁移， 破坏了良好的欧姆接触[18]， 使得电流逐渐地减小。

通过对比， 发现10 只二极管的退化程度是不同的。 串联二极管电路存在寄生参数， 导致位于两端的二极管分担的电压高， 位于中间的二极管分担的电压低[5]， 这会使得位于两端的二极管发生退化的程度最大， 而本实验中所观察到的退化并不符合这个规律。 因此二极管本身参数的不均匀性也是影响其退化程度的重要因素， 如正反向电流较小的二极管在串联工作时会承受更高的电压； 反向恢复时间最小的二极管会首先承受电压。另外， 二极管的制造过程中也会有一些对退化有影响的因素， 如本文提及的欧姆接触退火不充分。以上3 点原因综合起来， 造成了串联二极管容易失效的结果。

图7 大电压段理想因子随退化时间变化的曲线

4 结束语

本文对用于电子加速器的串联二极管进行了交流脉冲应力下的退化实验， 结果表明： 重复的反向高压和正向电流脉冲会在二极管中引入缺陷，增加二极管的非辐射复合电流， 中等电压段的理想因子表现为逐渐地增大； 器件欧姆接触会在工作的前几十小时逐渐地改善， 然后也开始退化，大电压段的理想因子表现为先减小后增大。

导致串联二极管容易发生失效的原因主要有3点： 1） 电路中寄生参数的影响； 2） 二极管本身参数的不均匀性； 3） 二极管工艺上的缺点。 因此在串联二极管电路中一定要在每只二极管两端并联均压电阻和均压电容， 以使得二极管的电阻和反向恢复时间均衡； 在使用前要对二极管进行筛选， 逐一测量二极管的正反向I-V 特性和反向恢复特性， 选择正反向I-V 特性及反向恢复时间尽量一致的二极管； 在选好器件之后， 可以先对二极管进行退火， 这不仅能使二极管的欧姆接触稳定， 还能消除二极管中的部分缺陷。

本文的研究结果为串联二极管的应用提供了一定的参考价值， 但在实验中还不能对每只二极管上的电压进行在线监测， 需要在后面的工作中继续研究。