Группа ученых под руководством доцента кафедры «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС», кандидата технических наук Петра Лагова разработала новый тип силовых диодов с оптимизированной кремниевой структурой. Применение инновационных диодов в два раза увеличивает скорость сварочного процесса.
Роботизированная контактная сварка широко применяется в машиностроении, судоходной, авиационной промышленности, при производстве бытовых изделий. Это основной способ соединения многочисленных деталей путем нагрева и деформации металла проходящим через него электрическим током без использования присадочных материалов. Новая технология дает возможность создавать до нескольких десятков соединений за 1 минуту, что, например, в два раза увеличивает скорость сборки автомобиля.
В современном сварочном аппарате используется переменный ток. Но промышленная сварка с высокими требованиями к качеству швов работает на постоянном токе. Однако в сварочный аппарат «заходит» переменный ток и получается, что его нужно «выпрямить». Практика показывает, что особенно выгодно «выпрямление» тока высокой частоты, при этом габариты сварочного аппарата могут быть сильно уменьшены. А для того чтобы выпрямить ток высокой частоты, нужен специальный быстровосстанавливающийся диод.
Ученые НИТУ «МИСиС» разработали быстровосстанавливающийся диод на основе кремния. Они ввели в его полупроводниковую структуру так называемые наноразмерные центры рекомбинации, то есть комплексы атомов и «вакансий» (пустых мест) в решетке кремния.
Для формирования такого центра нужно добавить пустот в решетку кремния. Эти пустоты формируются посредством контролируемого смещения (выбивания) атомов из узлов кристаллической решетки в определенных слоях кремниевой пластины. Чтобы их «выбить», диоды помещали в ускоритель и производили бомбардировку готового монокристалла кремния легкими ионами высоких энергий на ускорителе.
В результате возрастает максимальная рабочая частота диода, уменьшаются паразитные потери электрической мощности, разогрев и циклические колебания температуры диода, приводящие впоследствии к его износу, механическому повреждению и потере работоспособности. При прочих равных условиях такой диод может обеспечить более высокий рабочий ток сварки и точность его удержания, а также сократить интервал времени между отдельными рабочими циклами, в течение которых происходит остывание («отдых») диода. Становится возможной сварка металлов и сплавов, которые не свариваются при меньшей частоте.
На сегодняшний день сварочный диод с таким сочетанием параметров превосходит известные мировые аналоги и позволяет удвоить количество сварных операций за единицу времени, а значит, повысить скорость сборки механизмов.
«Мы не только разработали технологию создания рекомбинационных центров в структуре силового сварочного диода, но и получили готовые к применению экспериментальные образцы инновационных диодов, обладающих конкурентными преимуществами — максимальной рабочей частотой не менее 20 кГц (вдвое превышает лучшие зарубежные образцы) при токе 7 кА. Кроме того, в ходе серии проведенных инициативных работ с рядом отечественных предприятий нами установлено, что технология локального формирования центров рекомбинации может быть успешно применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов. Масштабное внедрение данной технологии в полупроводниковое производство позволит существенно повысить качество целого сегмента отечественной электронной компонентной базы, что способствует обеспечению технологической независимости в условиях импортозамещения», — рассказал руководитель проекта Петр Лагов.
