Тиристор с самозащитой от пробоя

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, динисторов, симисторов и т.д.), имеющих самозащиту от пробоя при переключении вследствие перенапряжения.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание тиристора с встроенной защитой (самозащитой) от перенапряжения в большом диапазоне скоростей нарастания напряжения - от квазистатического режима до сверхвысоких скоростей порядка 10 кВ/мкс и, соответственно, повышение надежности тиристора.

Сущность полезной модели: В полупроводниковой структуре тиристора, содержащей основную тиристорную структуру и внутри нее центрально-симметричные вспомогательные тиристорные структуры в количестве не меньше двух, имеющей локальную область с пониженным удельным сопротивлением в центре полупроводниковой структуры в п-базе вблизи коллекторного p-n-перехода, в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в п-базе вблизи коллекторного p-n-перехода сформирована одна или несколько локальных областей с пониженным удельным сопротивлением, причем удельное сопротивление в этой области (областях) больше, чем в локальной области в центре, и меньше, чем в основной тиристорной структуре, а площадь этой области (областей) больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры, вследствие чего напряжение лавинного пробоя центрального p-n перехода вблизи вспомогательной тиристорной структуры с указанной областью больше, а дифференциальное сопротивление канала (каналов) лавинообразования меньше значений аналогичных параметров в центре полупроводниковой структуры.

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно конструкции полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, динисторов, симисторов и т.д.), имеющих самозащиту от пробоя при переключении вследствие перенапряжения.

Известна конструкция тиристора с оптическим управлением (фототиристора) с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [1] (патент US (A) 5455434) на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей основную тиристорную структуру (ОТС), состоящую из четырех чередующихся слоев p- и п-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную центрально-симметричными вспомогательными тиристорными структурами (ВТС) и локальную область искривления коллекторного p-n-перехода с пониженным напряжением лавинообразования в центре ПС.

В [1] механизм защитного включения тиристора при перенапряжении обусловлен током лавинного пробоя в области искривления коллекторного p-n-перехода, генерируемым при перенапряжении и являющимся током управления самой близкой к этой области BTC (BTC₁). Анодный ток BTC₁ , в свою очередь, является током управления BTC₂ и т.д., пока не включится ОТС (регенеративный процесс включения тиристора).

Недостатком конструкции является то, что при сверхвысоких скоростях нарастания прямого напряжения, т.е. при воздействии на ПС напряжения, нарастающего до уровня переключения за короткое время, сравнимое с собственным временем задержки включения тиристора (0,4-0,8 мкс), интегрированная в ПС самозащита не функционирует. Собственное время задержки включения (t_di) является характерным временем диффузии через p- и -n-базовые области инжектированных из p- и -n-эмиттеров неосновных носителей заряда. При tt_di BTC₁ еще не переключается, поскольку инжектированные дырки и электроны еще не достигли коллекторного p-n-перехода, что является необходимым условием начала регенеративного процесса включения p-n-p-n-структуры. Инерционность процесса (длительность t_di) определяется временем диффузии дырок через широкую n-базу. Верхняя граница указанного выше диапазона t_di относится к высоковольтным тиристорам на повторяющееся напряжение 6-8 кВ, т.е. рассматриваемые нами сверхвысокие скорости нарастания напряжения составляют порядка 10 кВ/мкс. Вследствие отсутствия эффекта переключения BTC₁ работает на этом этапе в режиме ограничения напряжения с довольно большим дифференциальным сопротивлением в области лавинообразования. При ограниченном размере микроплазменного канала, определяемого областью искривления коллекторного p-п-перехода (менее 1 мм²), дифференциальное сопротивление может достигать нескольких десятков кОм.

Следствием этого является:

- ограничение условий реализации защитной функции интегрированной самозащиты;

- риск пробоя прибора с необратимой деградацией прямой блокирующей характеристики, а при большой мощности генератора перенапряжения - также и обратной.

Все это отрицательно сказывается на надежности тиристора.

Известна также конструкция тиристора с оптическим управлением с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [2] (патент DE 10150640(A1)) на основе ПС, состоящей из четырех чередующихся слоев р- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, содержащей ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную центрально-симметричными ВТС, локальную область искривления коллекторного p-n-перехода с пониженным напряжением лавинообразования в центре ПС и локальную область в n-базе в центре ПС с пониженным удельным сопротивлением, прилегающую к коллекторному переходу.

Отличие от [1] здесь состоит в дополнительном элементе снижения напряжения лавинообразования в той же области ПС, что и по варианту [1].

Недостаток конструкции заключается в том, что суперпозиция двух элементов самозащиты с геометрическими параметрами одного порядка величины не вносит принципиальных изменений в динамику процесса переключения ПС при перенапряжении. Поэтому так же, как и в конструкции по варианту [1], при сверхвысоких значениях dU/dt в центре ПС возможен электрический пробой, переходящий в тепловой. Следствия этого те же.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание тиристора с встроенной защитой (самозащитой) от перенапряжения в большом диапазоне скоростей нарастания напряжения - от квазистатического режима до сверхвысоких скоростей порядка 10 кВ/мкс и, соответственно, повышение надежности тиристора

Технический результат достигается тем, что в многослойной полупроводниковой структуре тиристора, содержащей четыре чередующихся слоя p- и n-типа электропроводности, эмиттерный анодный, коллекторный центральный и эмиттерный катодный p-п-переходы, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру и внутри нее центрально-симметричные вспомогательные тиристорные структуры в количестве не меньше двух, имеющей локальную область с пониженным удельным сопротивлением n'' в центре полупроводниковой структуры в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода, в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в n-базе вблизи коллекторного p-п-перехода сформирована одна или несколько локальных областей с пониженным удельным сопротивлением n', причем удельное сопротивление в этой области (областях) _n' больше, чем в локальной области в центре _n'', и меньше, чем в основной тиристорной структуре _n, а площадь этой области (областей) S_n' больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры S_n'', то есть _n''<_n'<_n, а S_n''<S_n' .

Вследствие этого напряжение лавинного пробоя центрального p-n перехода вблизи вспомогательной тиристорной структуры с указанной областью больше, а дифференциальное сопротивление участка лавинообразования меньше значений аналогичных параметров в центре полупроводниковой структуры.

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:

- наличие в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода одной или нескольких локальных областей с пониженным удельным сопротивлением, причем удельное сопротивление в этой области (областях) больше, чем в локальной области в центре, и меньше, чем в основной тиристорной структуре, а площадь этой области (областей) больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры.

- б`ольшая величина удельного сопротивления и площади указанной локальной области (областей) по отношению к аналогичному параметру в центре полупроводниковой структуры.

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Положительный эффект достигается за счет:

1. Снижения дифференциального сопротивления ПС в области лавинообразования.

2. Ограничения роста напряжения на ПС до опасного уровня переключения ОТС.

3. Затягивания во времени процесса роста напряжения на ПС до времени t_qi, когда начинается процесс переключения BTC₂.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах.

На фиг.1a показано схематическое изображение ПС тиристора (вариант с двумя BTC). Обозначения:

R_б1, R_б2 , R_б3 - сопротивления p-базовых областей BTC₁ , BTC₂ и ОТС;

R_к1, R _к2, R_к3 - сопротивления локальных каналов проводимости в режиме лавинообразования.

УЭ - управляющий электрод.

На фиг.1б приведена эквивалентная схема ПС с сосредоточенными дискретными параметрами для случая переключения по аноду в квазистатическом режиме.

На фиг.1в представлена эквивалентная схема ПС для случая переключения по аноду при сверхвысокой скорости нарастания напряжения, в которой BTC₁ замещена ограничителем напряжения (ОН).

На фиг.2 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) BTC₁ (а), BTC₂ (б), ОТС (в) и результирующая ВАХ ПС тиристора (г) с интегрированными элементами самозащиты от пробоя. Обозначения:

U_A1, U_A2, U_A3 напряжения лавинообразования BTC₁, BTC₂ и ОТС;

U _ВО1, U_ВО2, U_ВО3^- напряжения переключения BTC₁, BTC₂ и ОТС;

I_ВО1. I_ВО2, U_ВО3 - токи переключения BTC₁, BTC₂ и ОТС.

1, 2, 3, 1', 2', 3' - точки на ВАХ, в которых происходит переключение по аноду BTC₁, BTC₂, ОТС и ПС.

На фиг.3 приведены временные диаграммы напряжения на ПС и тока через ПС в различных режимах коммутации. Обозначены:

U_D1 - прямое напряжение на ПС для случая сверхвысокой скорости нарастания напряжения;

U _D2 - прямое напряжение на ПС для случая низкой и средней скорости нарастания напряжения;

I_D1 - прямой ток через ПС для случая сверхвысокой скорости нарастания напряжения;

I_D2 - прямой ток через ПС для случая низкой и средней скорости нарастания напряжения;

I_C1, I_C2 - емкостные составляющие токов I_D1 и I_D2.

На фиг.4 представлена конструкция ПС тиристора по предлагаемому решению, где n' - локальная область в n-базе с пониженным удельным сопротивлением в окрестности BTC₂, n'' - аналогичная область в центре ПС.

Выбор структуры эквивалентных схем (фиг.1б, в) обусловлен особенностями режимов коммутации.

Замещение BTC₁ (фиг.1б) на ОН (фиг.1в) связано с тем, что при t<t_di BTC₁ теряет свойства переключателя (динистора) и становится ограничителем напряжения.

Наличием R_к1, R_к2 , R_к3 в эквивалентной схеме на фиг.1в подчеркивается их роль в процессе коммутации в режиме сверхвысокого нарастания напряжения.

В целях упрощения анализа процессов коммутации на фиг.1в не показаны эквивалентные емкости ОН, BTC ₁ и ОТС.

С аналогичной целью на фиг.2 не показаны емкостные составляющие токов BTC₁, BTC ₂, ОТС и ПС. Емкостные составляющие I_C1, I _C2 токов I_D1 и I_D2 ПС в двух режимах коммутации показаны на фиг.3.

«Медленный» рост напряжения на ПС (кривая U_D2 на фиг.3) завершается переключением в точке 1' при напряжении переключения U _ВО1 BTC₁ (фиг.2а, г) (первая степень самозащиты).

«Быстрый» рост напряжения на ПС (кривая U_D1, на фиг.3) завершается переключением в точке 2' при напряжении переключения U_ВО2 BTC₂ (фиг.2б, г) (вторая степень самозащиты).

При отсутствии BTC₂ траектория роста U_D1 идет по пунктирной линии (фиг.3 и фиг.2г) до точки 3' на уровне U_ВО3 , после чего происходит электрический пробой ПС в произвольном месте с минимальной электрической прочностью с последующим тепловым пробоем.

Работоспособность предлагаемой конструкции тиристора была проверена на ПС с разветвленным эмиттером BTC ₂. Области BTC₁ и BTC₂ были подвергнуты облучению высокоэнергетическими протонами для создания областей с пониженным удельным сопротивлением и пониженным напряжением лавинообразования. Высоковольтные ПС на 3-4 кВ переключались в динисторном режиме при скоростях нарастания напряжения свыше 10 кВ/мкс без деградации ВАХ.

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности, применяемых в современных мощных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, мощных импульсных генераторах и др.

Тиристор с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения, выполненный на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре чередующихся слоя р- и n-типа электропроводности, эмиттерный анодный, коллекторный центральный и эмиттерный катодный p-n-переходы, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру и внутри нее центрально-симметричные вспомогательные тиристорные структуры в количестве не меньше двух, имеющей локальную область с пониженным удельным сопротивлением в центре полупроводниковой структуры в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода, отличающийся тем, что в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода сформирована одна или несколько локальных областей с пониженным удельным сопротивлением, причем удельное сопротивление в этой области (областях) больше, чем в локальной области в центре, и меньше, чем в основной тиристорной структуре, а площадь этой области (областей) больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры, вследствие чего напряжение лавинного пробоя центрального p-n перехода вблизи вспомогательной тиристорной структуры с указанной областью больше, а дифференциальное сопротивление участка лавинообразования меньше значений аналогичных параметров в центре полупроводниковой структуры.