Alimentations pour impulsions laser : Claquage par avalanche dans les diodes haute tension

Alimentations pour impulsions laser : Claquage par avalanche dans les diodes haute tension

Abstract

Un nœud de génération d'impulsions laser alimente sa diode à 30 kV, 5 kA et 50 kV/µs, six mille fois par seconde. Cet article présente la multiplication par avalanche, la tension de claquage de 30 kV obtenue par dopage, la puissance générée de 16.3 kW pour une dissipation de 1.6 kW, l'énergie de récupération inverse de 6 J, ainsi que les caractéristiques et le circuit d'amortissement assurant la continuité de la jonction.

1. Introduction

Dans un laser excimère, les diodes haute tension alimentent la roue libre, limitent le courant, amortissent les décharges et bloquent le courant inverse. Ces fonctions placent la diode sur le front d'impulsion. La tension de crête varie de 20 kV à 40 kV, le courant de crête de 1 kA à 10 kA et la vitesse de transition de 10 kV/µs à 100 kV/µs.

Trois mécanismes concluent cette phase. La multiplication par avalanche débute lorsque le champ inverse dépasse le champ critique. L'emballement thermique survient lorsque la génération dépasse la dissipation. La récupération inverse ajoute une surtension d'énergie à chaque commutation.

Chaque mécanisme provoque un court-circuit ou un circuit ouvert, et chaque panne est interprétée différemment par l'équipe de maintenance. Dans les trois cas, la surtension est mise en cause.

Cet article traite des conditions d'avalanche, de la tension de claquage fixée par dopage, de l'équilibre thermique, de la charge et de l'énergie de récupération inverse, du courant de déplacement, des quatre modes de défaillance sur le terrain et des caractéristiques qui garantissent la durée de vie de la pièce pendant 10 000 h.

2. Mécanisme de base

2.1 Multiplication par avalanche

Au-delà du champ critique d'environ 3 × 5⁵ V/cm dans le silicium, les porteurs acquièrent suffisamment d'énergie pour créer des paires électron-trou par ionisation par impact. Le nombre de porteurs se multiplie alors :

M = 1 / [1 − ∫(αn + αp) dx]

où M est le facteur de multiplication, αn et αp les coefficients d'ionisation des électrons et des trous, et l'intégrale s'étend sur la largeur de la zone de déplétion.

Les deux coefficients augmentent avec le champ :

αn = An × exp(−Bn / E)

où αn est le coefficient d'ionisation électronique, An et Bn des constantes matérielles, et E le champ électrique. Pour le silicium, An = 7 × 10⁵ cm⁻¹ et Bn = 1.2 × 10⁶ V/cm. M croît indéfiniment au point d'avalanche.

2.2 Tension de claquage due au dopage

La tension de claquage dépend du champ critique et du dopage du côté clair de la jonction :

V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)

où V_br est la tension de claquage, εs la permittivité du silicium, E_c le champ critique, q la charge de l'électron et Nd la concentration de donneurs.

Avec Nd = 1e14 cm−3 et E_c = 3e5 V/cm, V_br est proche de 30 kV. C'est la valeur typique pour une diode d'alimentation laser, et elle ne laisse aucune marge par rapport à une tension d'alimentation de 30 kV avec dépassement.

2.3 Bilan thermique à la jonction

La puissance générée additionne la perte directe, la fuite inverse et la surtension de récupération :

P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f

où P_gen est la puissance générée, V_f et I_f la tension et le courant directs, V_r et I_r la tension inverse et le courant de fuite, E_rr l'énergie de récupération par événement et f le taux de répétition.

Avec V_f = 2 V, I_f = 5 kA, V_r = 30 kV, I_r = 10 mA, E_rr = 1 J et f = 6 kHz, P_gen = 10 000 + 300 + 6 000, soit 16.3 kW. La dissipation à une jonction à 200 °C, dans un environnement à 40 °C et avec un coefficient de température de 0.1 °C/W, n'est que de 1.6 kW. La jonction s'emballe alors thermiquement.

L'augmentation lors d'une impulsion est faible :

T_j(t) = T_a + P_gen × R_th × [1 − exp(−t / τ_th)]

où T_j(t) représente la température de jonction, T_a la température ambiante, R_th la résistance thermique, t le temps et τ_th la constante de temps thermique. Avec τ_th = 5 ms et t = 100 ns, la jonction atteint 72.6 °C. La température moyenne calculée sur des milliards d'impulsions conclut cette partie.

2.4 Énergie de récupération inverse

Les porteurs minoritaires stockés doivent quitter la jonction avant le blocage de la diode. La charge stockée et l'énergie de récupération sont alors déterminées comme suit :

Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr

où Q_rr est la charge de récupération, I_rr le courant de récupération inverse de pointe et t_rr le temps de récupération.

L'énergie par événement est alors la suivante :

E_rr = V_r × Q_rr

où E_rr représente l'énergie de récupération, V_r la tension inverse et Q_rr la charge de récupération. Avec I_rr = 2 kA, t_rr = 200 ns et V_r = 30 kV, Q_rr = 200 µC et E_rr = 6 J. À 6 kHz, cela correspond à 36 kW dans un boîtier dimensionné pour une fraction de cette puissance.

2.5 Courant de déplacement sur le bord

La capacité de jonction laisse passer un courant de déplacement chaque fois que la tension varie :

I_disp = C_j × dv/dt

où I_disp représente le courant de déplacement, C_j la capacité de jonction et dv/dt la vitesse de variation de la tension. Une jonction de 100 pF, soumise à une tension de front de 50 kV/µs, laisse passer un courant de 5 A, valeur largement inférieure à l'impulsion directe de 5 kA. Une jonction de 1 nF, soumise à une tension de front de 100 kV/µs, laisse passer un courant de 100 A, ce qui provoque l'échauffement d'une zone localisée de la puce.

Fig. 1 — Un bord de 50 kV/µs génère 5 A à travers une jonction de 100 pF ; un circuit d'amortissement RC à 20 kV/µs réduit le courant de déplacement à 2 A.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Avalanche due à une surtension

Lorsque la tension de claquage est inférieure à 1.5 fois la tension d'alimentation, le dépassement de seuil la franchit. La multiplication qui s'ensuit provoque une forte augmentation du courant et un emballement de la jonction en quelques microsecondes.

La panne survient entre 1 000 et 5 000 heures, et le composant présente un court-circuit. L'opérateur incrimine le condensateur ou l'interrupteur, et la courbe caractéristique d'une diode similaire montre que le seuil de claquage se situe en dessous du niveau d'alimentation.

Point sensible n° 2 : Emballement thermique dû au courant direct

Lorsque la capacité de surtension est inférieure à deux fois le courant d'impulsion, les pertes directes entraînent un échauffement de la puce plus rapide que celui du boîtier ne l'évacue. La jonction devient instable et le silicium fond en un point.

Entre 2 000 et 8 000 heures, la diode se court-circuite. L’opérateur incrimine une surtension, et une image thermique prise lors d’une impulsion unique révèle un point de fusion au niveau du rétrécissement.

Point sensible n° 3 : Échec de la récupération inverse

Une diode lente, avec un temps de réponse (t_rr) supérieur à 500 ns ou un courant de récupération (Q_rr) supérieur à 500 µC, génère une décharge de récupération excessive, dépassant la capacité du boîtier. Un front de tension de 50 kV/µs y ajoute un courant de déplacement.

La pièce tombe en panne entre 500 h et 2 000 h. L’opérateur incrimine le circuit de commutation, et une mesure à double impulsion à la tension et au courant de fonctionnement montre la charge de récupération qui en est la cause.

Point faible n° 4 : Point chaud dû à un courant non uniforme

Un angle aigu ou un rétrécissement étroit concentre le courant dans une zone. À cet endroit, la température est 2 à 5 fois supérieure à la moyenne et la fonte se produit localement.

Entre 3 000 et 10 000 heures, la pièce présente une défaillance à cet endroit précis. L’opérateur incrimine un défaut de fabrication, et une puce de grande surface dotée d’une configuration d’électrodes optimisée permet de supprimer le rétrécissement. Cette même configuration assure la continuité de la pièce. N4700 Les plaques du condensateur et le film résistif forment un chemin de courant uniforme.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Définir la marge de rupture

Spécifiez une tension de claquage supérieure à deux fois la tension inverse de crête ; ainsi, un nœud de 30 kV nécessite un composant de 60 kV. Vérifiez cette valeur par un essai haute tension à 1.5 fois la tension de service et contrôlez le courant de fuite à ce niveau ainsi qu’à la valeur nominale.

Stratégie 2 : Définir la marge de surtension

Spécifiez une capacité de tenue aux surtensions directes supérieure à trois fois le courant d'impulsion de crête ; ainsi, un nœud de 5 kA nécessite un composant de 15 kA. Confirmez cette valeur par un test d'impulsion à deux fois le courant de fonctionnement et vérifiez la tension directe à la valeur de crête, car une augmentation de V_f contribue à la puissance générée (section 2.3).

Stratégie 3 : Réduire les frais de recouvrement

Choisissez un diode à récupération rapide avec une charge de récupération Q_rr inférieure à 100 µC et une durée de récupération t_rr inférieure à 200 ns, ou un composant Schottky en carbure de silicium dont la charge de récupération est quasi nulle. Confirmez par un test à double impulsion à la tension et au courant de fonctionnement, et observez la forme du courant de récupération : un retour brusque est nécessaire.

Stratégie 4 : Atténuer le nœud

Ajoutez un circuit d'amortissement RC ou RCD qui maintient dv/dt en dessous de 20 kV/µs. Sur une jonction de 100 pF, cela réduit le courant de déplacement de 5 A à 2 A. Réglez le circuit d'amortissement pour obtenir un amortissement critique afin que le dépassement en début de tension diminue avec la vitesse de balayage, et vérifiez la fréquence d'oscillation par rapport à la valeur attendue. condensateur à film auto-résonance dans la même boucle.

Stratégie 5 : Répandre le courant

Utilisez une puce de grande surface et une configuration d'électrodes alimentant l'ensemble de la jonction. Vérifiez le trajet du courant par imagerie infrarouge pendant une impulsion. Éliminez les zones présentant des angles vifs ou un rétrécissement important, car la surtension locale y est 2 à 5 fois supérieure à la moyenne.

Stratégie 6 : Surveiller la température du boîtier

Surveillez la température du boîtier à l'aide d'un thermocouple intégré ou d'un capteur infrarouge. Considérez 150 °C comme la limite supérieure et une augmentation de 20 % par rapport à la première mesure comme seuil de déclenchement. Enregistrez la mesure à côté de la fréquence d'impulsion, car la puissance générée est proportionnelle à cette fréquence, conformément à la section 2.3.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension inverse de crête répétitive	VRRM 10 kV	Série 2CL, 25 °C
Courant direct moyen	0.8 A SI(AV)	Onde rectangulaire, Tc ≤ 85 °C
Courant de surtension direct	100 A à 8.3 ms	surtension unique, IFSM
Temps de récupération inverse	en dessous de 1 µs trr	niveau de récupération souple
capacité de jonction	25 pF typ.	VR = 4 kV, 1 MHz
Température de fonctionnement	−55 °C à +125 °C	Tj max
Courant de fuite	moins de 5 mA @ VRRM	25 °C, pleine puissance

5. Diodes à récupération rapide HVC pour nœuds d'impulsions à dv/dt élevé

Quatre exigences déterminent le choix de ce nœud : une tension de claquage nettement supérieure à la tension d'alimentation, une tenue aux surtensions supérieure au courant d'impulsion, une faible charge de récupération et une capacité de jonction suffisamment faible pour limiter le courant de déplacement. HVC fabrique les composants correspondants dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, pour une gamme de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Tension de claquage à 150 kV avec V_br supérieur à 2 fois la valeur de fonctionnement, de sorte qu'un rail de 40 kV maintient une marge pendant le dépassement sur un front de 100 kV/µs.
• Capacité de courant de surtension jusqu'à 20 kA contre une impulsion de 5 kA, ce qui maintient la perte directe à l'intérieur de ce que le boîtier peut absorber entre les impulsions.
• Charge de récupération inférieure à 50 µC et temps de récupération inférieur à 100 ns à partir d'une durée de vie contrôlée du porteur, contre 200 µC et 6 J qu'un composant lent fournit sur le même nœud.
• Capacité de jonction inférieure à 50 pF, ce qui maintient le courant de déplacement proche de 1 A sur un bord de 20 kV/µs au lieu des 100 A qu'une partie de 1 nF laisse passer à 100 kV/µs.
• Un agencement d'électrodes optimisé répartit le courant sur la puce et élimine la zone de constriction où la température est 2 à 5 fois plus élevée. La tension de couverture, de 1 kV à 150 kV, alimente les nœuds de serrage, de roue libre et d'amortissement situés à proximité de la puce. condensateurs poignée de porte.
• Qualifiée pour les plateformes de sources lumineuses avancées, notamment les sources lumineuses de lithographie et les programmes d'outils DUV nationaux à 6 kHz, 40 kV et 100 milliards de cycles. Les composants HVC correspondent aux paramètres et aux dimensions d'encapsulation de Vishay Gammes de diodes haute tension.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits sur mesure sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge la caractérisation de la récupération, la conception des amortisseurs, la simulation thermique et la planification des essais de surtension.

Veuillez indiquer la tension inverse, le courant direct de crête, la vitesse de transition, la fréquence de répétition et le schéma de boucle. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une fiche de sélection contenant les données de récupération ainsi qu'un kit d'évaluation à deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : De quelle marge de claquage un rail de 30 kV a-t-il besoin ?

Fixez la tension de claquage à plus de deux fois la tension d'alimentation, soit 60 kV. La résolution de l'équation V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd) donne, pour une concentration de donneurs de 10¹⁴ cm⁻³, environ 30 kV, ce qui ne laisse aucune marge pour le dépassement sur un front de 50 kV/µs. Un composant de 30 kV sur une alimentation de 30 kV subira une avalanche en 1 000 à 5 000 heures.

Q2 : Pourquoi l'équilibre thermique est-il si loin de l'équilibre ?

L'impulsion de récupération s'ajoute aux pertes directes. La puissance de génération (P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f) est de 16.3 kW à 5 kA et 6 kHz lors d'une récupération de 1 J, tandis que la dissipation à une jonction à 200 °C et à 0.1 °C/W est de 1.6 kW. La jonction s'emballe car la production est un ordre de grandeur supérieur au taux d'évacuation.

Q3 : Comment puis-je réduire l'énergie de récupération inverse ?

Réduisez la charge de récupération. Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr et E_rr = V_r × Q_rr. Avec I_rr = 2 kA, t_rr = 200 ns et V_r = 30 kV, l'impulsion est de 200 µC et 6 J par événement. Un composant avec Q_rr inférieur à 50 µC et t_rr inférieur à 100 ns réduit cette valeur d'un facteur 4 sur le même nœud.

Q4 : De combien le circuit d'amortissement modifie-t-il le courant de déplacement ?

L'intensité est proportionnelle à la vitesse de balayage. I_disp = C_j × dv/dt, donc une jonction de 100 pF laisse passer 5 A à 50 kV/µs et 2 A à 20 kV/µs. Réglez le circuit d'amortissement pour obtenir un amortissement critique afin que le dépassement diminue avec la vitesse de balayage, et vérifiez la résonance de l'anneau par rapport à la résonance propre de la boucle.

Q5 : Quelle note dois-je vérifier en premier sur une pièce neuve ?

Vérifiez la tension de claquage par rapport à la tension inverse de crête, dépassement inclus, puis le courant de surtension par rapport au courant d'impulsion de crête. Un composant dont la tension de claquage (V_br) est inférieure à 1.5 fois la tension d'alimentation présente un risque d'avalanche, et un composant dont la capacité de surtension est inférieure à 2 fois le courant d'impulsion est sujet à des pertes directes. Ces deux défauts se manifestent par un court-circuit.

Q6 : Comment puis-je détecter une diode défectueuse avant que la ligne ne s’arrête ?

Surveillez la température du boîtier de chaque pile et comparez-la à la première mesure. Une augmentation de 20 % indique une hausse de la tension directe ou une augmentation de la charge de récupération, et 150 °C représente la limite supérieure. Effectuez simultanément une mesure périodique à double impulsion de Q_rr à la tension et au courant de fonctionnement.

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