полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств

Классы МПК:H01L29/74 приборы типа тиристоров с четырехзонной регенерацией
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2005-10-27
публикация патента:

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, а именно к конструкции тиристоров, в том числе фототиристоров. Техническим результатом изобретения является устранение неопределенности при проектировании прибора в отношении конкретных значений времени жизни неравновесных носителей заряда в базовых n-слоях дискретных тиристорных зон и основной тиристорной зоны, а также размеров дискретных тиристорных зон и их количества, повышение надежности прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств с одновременным сохранением нагрузочной способности. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон и в пределах основной тиристорной зоны выбирают из определенных условий. 2 ил. полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие совместно с электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, отличающийся тем, что дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд [мкс] и в пределах основной тиристорной зоны полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо [мкс] выбирают из условий:

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

где tq [мкс] - время выключения прибора,

а минимальные Lдmin [см] и максимальные Lдmax [см] линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон и их количество Nдтз [шт.] выбирают из условий:

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

где Lннзд [см] - диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон,

Sпв [см 2] - площадь первоначального включения основной тиристорной зоны через зону внешнего управления,

Sдтзi [см2] - площадь i-той дискретной тиристорной зоны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, а именно к конструкции тиристоров, в т.ч. фототиристоров.

Тиристоры и фототиристоры равной мощности отличаются между собой только конструкцией зоны внешнего управления. В случае тиристоров - зона внешнего управления содержит управляющий электрод, позволяющий включать их током от внешнего источника, а в случае фототиристоров - фотоокно, позволяющее включать их током, генерируемым внешним световым сигналом.

Известна конструкция полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [1] (F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schuize, U.Kellner-Werdehausen. Self-protected high-power thyristors. - Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56), содержащая четырехслойную структуру, в которой время жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз [мкс] в области основной тиристорной зоны (ОТЗ) меньше, чем в области зоны управления, включающей в себя область фотоокна и концентричные с ним вспомогательные тиристорные зоны (ВТЗ), количество которых равно четырем.

Эмиттерный р+-слой содержит под фотоокном островки n-типа электропроводности, созданные имплантацией фосфора. В базовый р-слой между катодными эмиттерами второй и третьей ВТЗ встроен резистор (нумерация ВТЗ начинается от фотоокна, расположенного в центре структуры).

Вследствие более высокого значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое в области зоны управления неравновесная концентрация носителей заряда в этой зоне в период восстановления запирающих свойств при выключении прибора убывает медленнее, чем в области ОТЗ. В случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств ток, обусловленный указанной неравновесной концентрацией носителей заряда, воздействует на ВТЗ как внешний ток управления и переключает их. Токи ВТЗ переключает затем ОТЗ.

Транзистор n-р-n-типа, образованный островками n-типа электропроводности в эмиттерном р+ -слое под фотоокном совместно с этим р+ -слоем и n-базой, усиливает ток, обусловленный неравновесной концентрацией носителей заряда под фотоокном. Это способствует первоначальному переключению ВТЗ, смежной с фотоокном. Затем поочередно включаются остальные ВТЗ по мере их удаленности от фотоокна. Резистор, встроенный в базовый р-слой, ограничивает токи через первую и вторую ВТЗ.

Недостатками такой конструкции являются:

- высокая сложность ее реализации, обусловленная необходимостью создания резистора, встроенного в базовый p-слой, и островков n-типа электропроводности в эмиттерном р +-слое;

- необходимость точной дозировки концентрации фосфора в островках n-типа электропроводности в эмиттерном р +-слое с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить первоначальное переключение ВТЗ, смежной с фотоокном, а, с другой стороны, исключить возможное переключение прибора в обратном направлении подобно симметричному тиристору из-за наличия указанных островков n-типа электропроводности;

- отсутствие рекомендованного соотношения между значениями полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое в области ОТЗ и зоны управления.

Самое близкое решение [2] (Патент Великобритании № 2207552, кл. H01L 29/74, публ. 01.02.1989 г.) относится к конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления.

Зона внешнего управления (ЗВУ) в данном случае представляет собой трехслойную p-n-p-область с расположенным на ней управляющим электродом. Прибор может содержать только одну дискретную тиристорную зону (ДТЗ), однако предпочтительно, чтобы таких зон было несколько. Значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое в пределах ДТЗ может примерно в 2 раза и более превышать его значение в базовом n-слое в пределах основной тиристорной зоны (ОТЗ). В пределах промежуточной зоны между ДТЗ и ОТЗ значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое такое же, как и в пределах ДТЗ. Расстояние между ДТЗ и ОТЗ (ширина промежуточной зоны) равно примерно четырем диффузионным длинам носителей заряда в базовом n-слое в пределах ДТЗ. В промежуточном слое между ДТЗ и ОТЗ могут быть встроены вспомогательная тиристорная зона (ВТЗ) и ограничительные (балластные) резисторы.

Назовем для краткости участки базового n-слоя в пределах ОТЗ и ДТЗ просто базовыми n-слоями ОТЗ и ДТЗ. В открытом состоянии прибора неравновесные (избыточные) носители заряда диффундируют из базового n-слоя ОТЗ в базовые n-слои ДТЗ. После прекращения протекания тока в период восстановления запирающих свойств прибора, как и в предыдущем случае, избыточные носители заряда в базовых n-слоях ДТЗ вследствие более высокого значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз убывают медленнее, чем в базовом n-слое ОТЗ. В случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств токи, обусловленные избыточными носителями заряда, в первую очередь переключают ДТЗ. Затем токи ДТЗ переключают ОТЗ.

Недостатками рассмотренной конструкции являются:

- Неопределенность при проектировании прибора из-за отсутствия рекомендаций по выбору конкретных значений полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ и по выбору конкретных размеров ДТЗ и их количества. Рекомендуемая относительная разница значений полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ в 2 раза и более при некорректном выборе конкретных значений полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз может привести к недопустимому увеличению времени выключения приборов tq [мкс] или импульсного напряжения в открытом состоянии U тм [В].

- Снижение надежности вследствие возможного первоначального переключения ОТЗ в случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств. Такая ситуация может реализоваться, например, при малых плотностях тока через ОТЗ в открытом состоянии и/или низких скоростях его спада в процессе коммутации, когда уменьшается доля избыточного заряда, диффундирующего из базового n-слоя ОТЗ в базовые n-слои ДТЗ. Эта же ситуация может реализоваться при повышении температуры прибора вследствие увеличения сопротивления встроенных резисторов. Первоначальное переключение ОТЗ наблюдалось, например, при 90°С в работе [3] (Р.А.Mawby, M.S.Towers. Modelling of self-protected light-triggered thyristors. - IEE Proc. - Circuits Devices Syst., 2001, v.148, № 2, р.55-63), в которой исследовались приборы аналогичной конструкции.

- Снижение нагрузочной способности прибора из-за уменьшения площади ОТЗ с увеличением количества ДТЗ.

Техническим результатом предлагаемого решения являются устранение неопределенности при проектировании прибора в отношении конкретных значений полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ, а также размеров ДТЗ и их количества, повышение надежности работы прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств с одновременным сохранением нагрузочной способности.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо [мкс] и в пределах основной тиристорной зоны полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо [мкс] выбирают из условий:

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

где tq [мкс] - время выключения прибора,

а минимальные Lдmin [см] и максимальные Lдmax [см] линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон, распределенных по площади основной тиристорной зоны, и их количество N дтз [шт.] выбирают из условий:

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

где Lннзд [см] - диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон,

Sпв [см 2] - площадь первоначального включения основной тиристорной зоны через зону внешнего управления,

Sдтзi [см2] - площадь i-той дискретной тиристорной зоны.

Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются:

1. Дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон.

2. Значения времени жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд и в пределах основной тиристорной зоны Тннзо удовлетворяют условиям (1), (2).

3. Минимальные Lдmin и максимальные Lдmax линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон и их количество Nдтз удовлетворяют условиям (3), (4).

Известных технических решений с такой совокупностью признаков не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что условия (1)-(4) устраняют неопределенность при проектировании приборов. При этом условия (1), (2) обеспечивают выполнение требований к прибору по времени выключения tq и импульсному напряжению в открытом состоянии UTM и позволяют сохранить разницу в плотностях тока в открытом состоянии через ДТЗ и ОТЗ в пределах не более 12%. Условия (3), (4) позволяют сохранить гарантию первоначального включения ДТЗ, совместно с условиями (1), (2) предотвращают чрезмерный нагрев ДТЗ и в случае переключения при неполном восстановлении запирающих свойств обеспечивают прибору способность выдержать все режимы работы, на которые он рассчитан, при включении через зону внешнего управления.

Повышенная надежность прибора по сравнению с прототипом обусловлена тем, что первоначальное переключение при неполном восстановлении запирающих свойств происходит в области ДТЗ при любых, в т.ч. и малых плотностях тока через ОТЗ в открытом состоянии и низких скоростях его спада в процессе коммутации, а также при любой температуре структуры. Кроме того, в работе прибора в открытом состоянии наряду с ОТЗ активно участвуют и все ДТЗ, что позволяет независимо от количества ДТЗ сохранить нагрузочную способность прибора.

На фиг.1 изображен полупроводниковый прибор (тиристор) предложенной конструкции с шестнадцатью дискретными тиристорными зонами круглой формы, когда зона внешнего управления (ЗВУ) содержит вспомогательную тиристорную зону и управляющий электрод (вид сверху).

На фиг.2 показано сечение прибора, изображенного на фиг.1, по линии А-А.

Полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями 2 и 3, расположенными на противоположных сторонах пластины. Прибор содержит эмиттерный р-слой 4, базовый n-слой 5, базовый р-слой 6, основной эмиттерный n-слой 7, образующие между электродами анода 8 и катода 9 основную тиристорную зону (ОТЗ). Прибор содержит дискретные тиристорные зоны 10, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления (ЗВУ) (фиг.2). Электрод анода является общим для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, содержащей со стороны главной поверхности 3 вспомогательный эмиттерный n-слой 11, управляющий электрод 12 и электрод 13. Дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода 9 с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон (фиг.1, 2).

Вспомогательный эмиттерный n-слой 11 совместно с эмиттерным р-слоем 4, базовым n-слоем 5 и базовым р-слоем 6 образует вспомогательную тиристорную зону (ВТЗ). Электрод 13 шунтирует границу вспомогательного эмиттерного n-слоя со стороны ОТЗ и служит одновременно управляющим электродом ОТЗ.

Шунты основного эмиттерного n-слоя 7, обеспечивающие температурную стабильность напряжения переключения и высокие критические скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, на чертежах не показаны.

Зона внешнего управления может содержать две и более вспомогательных тиристорных зон, а вместо управляющего электрода 12 - фотоокно для включения прибора светом. Более того, под управляющим электродом (или фотоокном) может быть использовано любое из известных технических решений, обеспечивающих самозащиту прибора от перенапряжений.

Время жизни неравновесных носителей заряда полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое в пределах ЗВУ может быть равным времени жизни в базовом n-слое в пределах ОТЗ (полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо) или равным:

- времени жизни в базовом n-слое в пределах ДТЗ (полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд), как у прототипа;

- полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд только в p-n-р-области под управляющим электродом 12, простирающейся до внутренней границы вспомогательного эмиттерного n-слоя 11, и полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо вне этой области, как в патенте США № 4165517, кл. Н01L 29/74, публ. 21.08.1979 г. [4].

При этом во всех случаях между ВТЗ и ОТЗ может быть встроен балластный резистор, как это предложено в прототипе и упомянутом патенте [4].

При работе прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств первоначальное включение всегда происходит в области дискретных тиристорных зон. Объясняется это следующим.

Для каждого прибора, как правило, оговорено максимально допустимое или типичное значение времени выключения tq. Значение tq в предлагаемой конструкции прибора определяется значением полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд. Коэффициент пропорциональности между полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд и tq зависит от множества факторов, в частности от толщины кремниевой структуры и плотности шунтов катодного эмиттерного n+ -слоя, и для большинства современных приборов лежит в интервале 0,15÷0,35 с наиболее вероятным значением в интервале 0,2÷0,25. Поэтому значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд выбирают из условия (1).

Так как ОТЗ и ДТЗ имеют общие электроды анода и катода (соединены глухо в параллель), импульсное напряжение в открытом состоянии на них одинаково и равно UTM. Заданное значение UTM и выбранное значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд определяют величину плотности тока через ДТЗ в открытом состоянии Jтмд [А/см2]. Известно, что при заданном значении UTM плотность тока в открытом состоянии тем ниже, чем меньше полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз. Поскольку по условию (2) полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо меньше полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд, то плотность тока в открытом состоянии через ОТЗ JTMO [А/см 2] также меньше Jтмд. Вследствие этого концентрация избыточных носителей заряда в открытом состоянии в базовом n-слое в пределах ДТЗ выше, чем в пределах ОТЗ, и в период восстановления запирающих свойств прибора убывает медленнее. Поэтому в случае приложения к прибору импульса прямого напряжения в период восстановления запирающих свойств его переключение первоначально происходит в области ДТЗ.

Ограничение значений полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо сверху величиной 0,8полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд гарантирует первоначальное переключение прибора в области ДТЗ. Ограничение же снизу величиной 0,6полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд позволяет обеспечить значения JTMO на уровне не ниже 0,9J тмд т.е. сохранить высокую нагрузочную способность прибора в открытом состоянии.

Ограничение минимальных линейных размеров сечений ДТЗ Lдmin снизу по условию (3) величиной 4Lннзд предотвращает чрезмерную диффузию избыточных носителей заряда в приграничные области ОТЗ, где они рекомбинируют быстрее. Тем самым сохраняется гарантия первоначального включения ДТЗ. С другой стороны, при максимальных линейных размерах сечений ДТЗ Lдmax свыше 12Lннзд существенно ухудшается теплоотвод от центральных участков ДТЗ в приграничные области ОТЗ, что может привести к снижению нагрузочной способности прибора в открытом состоянии из-за нагрева ДТЗ.

ДТЗ в сечении (в плане) могут иметь разные формы и площади. Предпочтительными являются ДТЗ, имеющие в плане круглую, а также квадратную и правильную шестиугольную форму. Назовем их для краткости ДТЗ, соответственно, круглой, квадратной и правильной шестиугольной формы. В случае ДТЗ круглой формы Lдmin=Lдmax =Dдтзi, где Dдтзi [см], - диаметр i-той дискретной тиристорной зоны, и условие (3) принимает вид: 4Lннздполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 Dдтзiполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 12Lннзд. Площадь i-той ДТЗ S дтзi [см2] равна при этом 0,25полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 Dдтзi 2.

В случае ДТЗ квадратной формы целесообразно принять, что L дmin=bдтзi, а Lдmax =dдтзi;, где bдтзi [см] - сторона, a dдтзi [см] - диагональ квадратного сечения i - той дискретной тиристорной зоны. Тогда, учитывая, что полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 условие (3) принимает вид 4Lннзд полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 bдтзiполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 8,5 Lннзд. Площадь i - той ДТЗ S дтзi равна при этом bдтзi 2.

При правильной шестиугольной форме ДТЗ следует принять, что Lдmin=Dвпi , а Lдmax=Dопi, где Dвпi [см] - диаметр вписанной, a D опi [см] - диаметр описанной окружности шестиугольного сечения i-той дискретной тиристорной зоны. Тогда, учитывая, что полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 а Doni=2cдтзi , где cдтзi [см] - сторона правильного шестиугольного сечения i-той дискретной тиристорной зоны, условие (3) принимает вид 2,3 Lннздполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 сдтзiполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 6 Lннзд. Площадь i-той ДТЗ S дтзi равна при этом 2,6cдтзi 2.

Обозначим через Sдтзс [см 2] суммарную площадь всех ДТЗ прибора. В общем случае

полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075

Если все ДТЗ имеют одинаковую площадь, равную S дтз [см2], то Sдтзс =Nдтз·Sдтз. Обозначим также через Nдтзкр [шт.] критическое значение Nдтз, при котором отношение S дтзс/Sпв равно 1. Условие (4) можно представить теперь в виде 1,2Nдтзкрполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 Nдтзполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075дтзкр. Равенство N дтзкр означает, что только при первоначальном переключении всех ДТЗ их суммарная включенная площадь будет равна S пв и, следовательно, прибор выдержит все режимы работы, на которые рассчитан при включении через зону внешнего управления. Но вероятность такого события равна 1 только при полной идентичности параметров всех ДТЗ, что нереально. Увеличение количества ДТЗ сверх критического значения Nдтз повышает вероятность того, что суммарная площадь всех включенных ДТЗ достигнет или даже превысит Sпв. Поэтому значение Nдтз ограничено снизу величиной 1,2·N дтзкр. Однако с увеличением Nдтз количество ДТЗ, которые переключаются одновременно при неполном восстановлении запирающих свойств, из-за разброса их параметров сначала стремится к насыщению, а затем может резко уменьшиться. Поэтому наибольшее количество ДТЗ ограничено значением 3N дтзкр.

Пример реализации. Для примера реализации взяли тиристор на средний ток в открытом состоянии 800 А, повторяющееся напряжение 2800 В. Тиристоры изготавливали на основе кремниевых пластин диаметром 56 мм и толщиной 600 мкм. Эмиттерный р-слой 4 и базовый р-слой 6 создавали одновременной диффузией бора и алюминия. Основной 7 и вспомогательный 11 эмиттерные n-слои формировали селективной диффузией фосфора. Диаметры шунтов основного эмиттерного n-слоя 7 были равны 120 мкм, а расстояние между центрами соседних шунтов составляло 600 мкм. Электрод анода 8 создавали сплавлением кремниевых структур с термокомпенсаторами, а электрод катода 9 и электрод 13 - напылением алюминия.

ДТЗ 10 (фиг.1, 2) имели круглую форму и одинаковые диаметры Dдтз , равные 0,14 см. ДТЗ в зоне внешнего управления не были предусмотрены. Внутренний D1OТЗ [см] и внешний В 2ОТЗ [см] диаметры ОТЗ (основного эмиттерного n-слоя 7) были равны соответственно 1 и 4, 8 см. Были изготовлены 60 приборов шести вариантов (по 10 приборов каждого варианта), отличающихся количеством ДТЗ. Для варианта I количество ДТЗ было равно 6, а для последующих вариантов - соответственно 10, 16, 20, 25 и 30 шт. На фиг.1 изображен вид сверху приборов варианта III, когда Nдтз=16 шт.

Значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд и полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо регулировались двукратным облучением электронами. После первого облучения приборов электронами по всей площади значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз снижались до уровня полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд=25 мкс. Второе облучение приборов электронами также производилось по всей площади за исключением ДТЗ. При этом значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз по всей площади за исключением ДТЗ снижались до уровня полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо=18 мкс. Значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннз в базовом n-слое 5 в пределах зоны внешнего управления, таким образом, было равно полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо.

Указанные значения полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд, полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо, Dдтз и Nдтз были выбраны следующим образом. Типичное значение tqtyp [мкс] времени выключения tq для тиристоров данного типа было равно 125 мкс, причем разброс фактических значений t q достигал ±25 мкс. Таким образом, требование к тиристорам данного типа по максимально допустимому значению времени выключения tq (не более 160 мкс) было выполнено. Коэффициент пропорциональности между полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд и tqtyp находился в интервале 0,2÷0,25. Расчетное значение полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд определялось исходя из наименьшего значения этого коэффициента, поскольку при этом гарантированно выполнялось требование по максимально допустимому значению времени выключения, и составляло 25 мкс.

Максимально допустимое значение UTM для приборов данного типа равно 2,1 В, а типичное значение - 1,9 В. Для гарантированного выполнения этого требования было принято, что расчетное значение UTM должно быть равно типичному, т.е. 1,9 В. Расчеты UTM при различных плотностях тока проводили с учетом всех нелинейных эффектов по модели, приведенной в книге [5] (В.П.Григоренко, П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Т.Т.Мнацаканов. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.). Расчеты показали, что Jтмд=160 А/см2 при полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд=25 мкс и UTM =1,9В, а значения JTMO сохраняются на уровне не ниже 0,9Jтмд при значениях полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо вплоть до 18 мкс. Таким образом, было принято, что полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзо=0,72 полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд=18 мкс, и условие (2) выполнялось.

Значение Lннзд рассчитывалось по формуле: Lннзд=(SDннзполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ннзд)0,5, где Dннз [см2/с] - коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в кремнии. Было принято, что значение Lннзд равно среднему из значений, рассчитанных при низких и высоких уровнях инжекции, а D дтз=7·Lннзд=0,14 см. Таким образом было получено, что Lннзд=0,0196 смполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 0,02 см. Площадь Sдтз одной ДТЗ была равна при этом 0,0154 см2.

Площадь первоначального включения ОТЗ через зону внешнего управления Sпв была рассчитана по формуле: S пв=полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 ·D1OТЗ·полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 r0, где полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 r0 - ширина области первоначального включения ОТЗ в радиальном направлении. Расчеты по модели, описанной в книге [6] (П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, П.Н.Крюкова и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1980 г.), показали, что для данного прибора полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 r0полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 0,04 см и, следовательно, Sпвполупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления   запирающих свойств, патент № 2297075 0,126 см. Расчетное количество ДТЗ в соответствии с условием (4) лежало при этом в интервале от 10 до 25 шт. С целью подтверждения целесообразности выбора количества ДТЗ из этого интервала и были изготовлены 6 вариантов прибора, из которых варианты I и VI не удовлетворяли условию (4), так как количество ДТЗ в них было равно соответственно 6 и 30 шт.

Переключение приборов при неполном восстановлении запирающих свойств осуществлялось в режиме:

Амплитуда импульсов тока в открытом состоянии, Iтм, А800
Скорость спада тока в открытом состоянии, -diT/dt, А/мкс50
Обратное напряжение, U R, В100
Амплитуда импульса повторно прикладываемого

напряжения в закрытом состоянии, UD, В
1800
Амплитуда импульса тока при переключении, ITMtq, A 800
Скорость нарастания импульса тока при

переключении, diT/dt, А/мкс
50
Длительность импульса тока при переключении, tp, мкс 200

Испытания приборов привели к следующим результатам. Из 10 приборов варианта I вышли из строя 6 шт., а из 10 приборов варианта VI-4 шт. Ни один прибор вариантов II-V, количество ДТЗ в которых удовлетворяло условию (4), не вышел из строя.

Источники информации

1. F.-J.Niedemostheide, H.-J.Schuize, U.Kellner-Werdehausen. Self-protected high-power thyristors. - Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56.

2. Патент Великобритании № 2207552, кл. H01L 29/74, публ. 01.02.1989 г. (прототип).

3. Р.А.Mawby, M.S.Towers. Modelling of self-protected light-triggered thyristors. - IEE Proc. - Circuits Devices Syst, 2001, v.148, №2, p.55-63.

4. Патент США № 4165517, кл. H01L 29/74, публ. 21.08.1979 г.

5. В.П.Григоренко, П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Т.Т.Мнацаканов Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов". - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

6. П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Н.Н.Крюкова и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов". - М.: Энергия, 1980 г.

Класс H01L29/74 приборы типа тиристоров с четырехзонной регенерацией

тиристор стадии зажигания с развязывающей стадией зажигания -  патент 2501119 (10.12.2013)
способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора -  патент 2474926 (10.02.2013)
силовой тиристор -  патент 2474925 (10.02.2013)
способ выключения незапираемого тиристора -  патент 2461913 (20.09.2012)
силовой полупроводниковый прибор с регулируемым напряжением переключения -  патент 2410795 (27.01.2011)
способ управления тиристором и устройство для его осуществления -  патент 2367060 (10.09.2009)
запираемый тиристор и способ его работы -  патент 2335824 (10.10.2008)
силовой полупроводниковый прибор -  патент 2321102 (27.03.2008)
силовой полупроводниковый прибор -  патент 2308121 (10.10.2007)
тиристорный триод-тирод -  патент 2306632 (20.09.2007)
Наверх