Тиристор

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, динистров, симисторов и т.д.) с распределенной объемной и поверхностной шунтировкой эмиттерных p-п-переходов.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание силовых тиристоров с разветвленным РУЭ с повышенными значениями статических и динамических параметров приборов.

Сущность полезной модели: Тиристор, содержащий основную тиристорную структуру (ОТС) с распределенной объемной шунтировкой эмиттерного катодного n⁺-p перехода, внутри нее управляющий электрод, одну или несколько центрально-симметричных вспомогательных тиристорных структур (ВТС), распределенную поверхностную шунтировку эмиттерного катодного n⁺-p перехода основной и вспомогательных тиристорных структур, дополнительные участки п-типа электропроводности (ДУ) в области ВТС, расположенные под катодным металлическим слоем ВТС и выступающие из-под его внешней границы вдоль границы поверхностных шунтов ОТС, отличающийся тем, что на границе смежных ВТС, ВТС и ОТС периодически чередуются участки с n⁺ -p-переходами противоположной полярности - участки эмиттерных катодных n⁺-p-переходов и n⁺-p-переходов, образованных n-областями ДУ с p-базовой областью, разделенные областями поверхностных шунтов p-типа электропроводности.

2. Тиристор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные участки (ДУ) объединены общим n⁺-слоем под катодным металлическим слоем ВТС.

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых структур с чередующимися слоями р- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, динистров, симисторов и т.д.) с распределенной объемной и поверхностной шунтировкой эмиттерных p-n-переходов.

Известна конструкция тиристора [1] (Авторское свидетельство СССР SU 363410) на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей основную тиристорную структуру (ОТС), состоящую из четырех чередующихся слоев p- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, распределенную объемную шунтировку эмиттерного катодного n⁺-р-перехода и распределенную поверхностную (краевую) шунтировку эмиттерного катодного n ⁺-p-перехода в области, непосредственно прилегающей к управляющему электроду (УЭ).

В конструкции [1] наличие дополнительной распределенной поверхностной шунтировки ОТС позволяет увеличить dU/dt - стойкость, помехозащищенность, температурную устойчивость (максимально допустимую рабочую температуру ПС), нагрузочную и перегрузочную способность тиристоров по току вследствие повышения температурной устойчивости ПС.

Конструкция тиристоров с поверхностной шунтировкой получила широкое распространение, однако недостатком конструкции является возрастание тока управления, поскольку часть этого тока протекает через шунты, не поступая в эмиттерный катодный n⁺-р переход.

Это особенно существенно для импульсных тиристоров с разветвленными вспомогательными тиристорными структурами (ВТС), выполняющими роль регенеративных управляющих электродов (РУЭ). При большой степени разветвления РУЭ и наличии поверхностных шунтов ОТС сложно обеспечить величину регенеративного тока управления, достаточную для равномерного и быстрого включения всей внутренней границы ОТС.

Следствием этого является:

- локальный перегрев области УЭ;

- ограничение di/dt - стойкости тиристора.

- уменьшение надежности тиристора.

Известна также конструкция тиристора [2] (Авторское свидетельство СССР SU 1485963) на основе ПС, состоящей из четырех чередующихся слоев p- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, содержащей ОТС и ВТС, распределенную объемную шунтировку эмиттерного катодного n⁺-р-перехода ОТС, распределенную поверхностную шунтировку эмиттерного катодного n⁺-р-перехода ОТС и дополнительные участки n-типа электропроводности (ДУ) в областях ВТС, расположенные под катодным металлическим слоем ВТС и выступающие из-под его внешней границы. При этом каждый ДУ расположен вдоль границы поверхностного шунта ОТС и частично вдоль границ соседних участков эмиттерного катодного n⁺-р-перехода ОТС.

В конструкции [2] ДУ n-типа электропроводности на границе с p-базовым слоем создают области обратносмещенных p-n-переходов по периметру ВТС. В результате ток управления от ВТС к ОТС поступает только из p-областей между ДУ, то есть в эмиттерный катодный n⁺-р-переход ОТС, и не протекает через шунты, что позволяет уменьшить величину тока РУЭ, достаточную для равномерного и быстрого включения внутренней границы ОТС.

Однако в конструкции [2] участки эмиттерного катодного n⁺-р-перехода ОТС, вдоль которых расположены ДУ, не получают тока управления (из-за наличия двух p-n-переходов в соответствующих поперечных сечениях «ВТС-ОТС»). Кроме того, за счет ДУ увеличено сопротивление протеканию емкостного и термогенерационного тока центрального p-n перехода к поверхностным шунтам.

Отметим также, что по версии [2] при достаточно большой величине протяженности ДУ (d) увеличивается расстояние между центрами поверхностных шунтов.

Следствием этого является:

- снижение эффективности поверхностной шунтировки по сравнению с такой же конструкцией без ДУ;

- снижение dU/dt - стойкости тиристора,

- ухудшение температурной устойчивости прямой ветви вольтамперной характеристики тиристора в закрытом состоянии;

- ограниченное снижение тока управления ОТС (в 3,6-4,4 раза, как указывается в [2]);

- снижение нагрузочной способности тиристора вследствие ухудшения температурной устойчивости ПС;

снижение перегрузочной способности тиристора вследствие ухудшения температурной устойчивости ПС;

- ограничение di/dt - стойкости тиристора;

- снижение надежности тиристора.

Техническим результатом предлагаемого решения является создание силовых тиристоров с разветвленным РУЭ с повышенными значениями статических и динамических параметров приборов.

Технический результат достигается тем, что в многослойной полупроводниковой структуре тиристора, содержащей четыре чередующихся слоя р- и n-типа электропроводности, эмиттерный анодный, коллекторный центральный и эмитерный катодный p-n-переходы, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие ОТС с распределенной объемной шунтировкой эмиттерного катодного n ⁺-р-перехода, внутри ОТС одну или несколько центрально-симметричных ВТС, распределенную поверхностную шунтировку ОТС и ВТС, ДУ n ⁺-типа электропроводности в области ВТС, расположенные под катодным металлическим слоем ВТС и выступающие из-под его внешней границы, на границе смежных ВТС, ВТС и ОТС периодически чередуются участки с n⁺-р переходами противоположной полярности - участки инжектирующих эмиттерных катодных n ⁺-р-переходов и n⁺-р-переходов, образованных n-областями ДУ с p-базовой областью, разделенные областями поверхностных шунтов.

Признаками, отличающими предлагаемое техническое решение, являются:

- периодическое чередование на границе смежных ВТС, ВТС и ОТС участков с n⁺-р переходами противоположной полярности - инжектирующих участков эмиттерных катодных n⁺-р-переходов и n⁺ -р-переходов, образованных n-областями ДУ с p-базовой областью, разделенных областями поверхностных шунтов.

Очевидно, что при этом ДУ расположены вдоль границы поверхностных шунтов ОТС и протяженность ДУ меньше протяженности границы поверхностного шунта.

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах.

На фиг.1 показано схематическое изображение фрагмента ПС тиристора с разветвленной частью ВТС, граничащей с ОТС.

Обозначения:

1 - катодный металлический слой ОТС:

2 - катодный металлический слой ВТС;

3 - анодный металлический слой ПС;

4 - объемный шунт;

5 - n⁺-эмиттер катодный;

6 - ДУ n⁺ -типа в области ВТС, выступающий из-под катодного металлического слоя;

7 - поверхностный шунт;

D - ширина поверхностного шунта;

d - протяженность ДУ;

L - расстояние между центрами областей поверхностных шунтов на участке с инжектирующим эмиттерным катодным n⁺ -р-переходом;

L₁ - расстояние между центрами областей поверхностных шунтов на участке с неинжектирующим (обратносмещенным) n⁺-р-переходом;

А-А - сечение фрагмента ПС на участке с инжектирующим эмиттерным катодным n⁺-р-переходом на границе ВТС и ОТС;

Б-Б - сечение фрагмента ПС на участке с поверхностным шунтом;

В-В - сечение фрагмента ПС с обратносмещенным n ⁺-р-переходом, образованным n-областью ДУ на границе с р-базовой областью;

I_у - ток управления ОТС, поступающий из ВТС;

I_ш - ток утечки поверхностного шунта.

Фиг.2 отличается от фиг.1 увеличенной протяженностью ДУ n⁺-типа d в области ВТС; на длине d в ОТС располагаются 3 объемных шунта. Обозначения элементов те же, что и на фиг.1.

Фиг.3 отличается от фиг.1 тем, что дискретные ДУ n⁺-типа объединены n⁺-слоем под металлическим слоем ВТС. Обозначения те же.

Положительный эффект (увеличение di/dt и dU/dt стойкости, нагрузочной и перегрузочной способности тиристора по сравнению с прототипом, и при этом сохранение главного достоинства прототипа - уменьшение доли тока управления, протекающего через шунты) достигается за счет:

1. Эффективного шунтирования эмиттерного катодного n⁺-p перехода ОТС и ВТС.

2. Отсутствия ограничения на протяженность участков с неинжектирующими p-n-переходами без снижения эффективности поверхностной шунтировки катодных эмиттерных p-n-переходов

Предлагаемая конструкция тиристора в отличие от известных технических решений позволяет в широком диапазоне уменьшать токи управления ВТС и ОТС ПС тиристора. Ток управления снижается пропорционально доле суммарной протяженности d дискретных ДУ n⁺-типа в периметре ВТС и ОТС. Это позволяет оптимизировать токи управления ОТС и ВТС с точки зрения повышения di/dt - стойкости тиристора без ухудшения других параметров. Меняя соотношение L и L ₁, можно получать необходимое уменьшение токов управления ВТС и ОТС.

Выбор значения L₁ зависит от требуемых значений, в частности, скорости нарастания анодного тока di/dt, амплитуды и длительности импульса анодного тока. В высоковольтных ПС с широкой n-базой скорость распространения включенного состояния составляет примерно 0,3 мм/мкс. При L ₁=6 мм фронт плазмы в п-базе ОТС сомкнется в области шунта через 10 мкс после начала включения ПС. Это означает, что после десяти микросекунд процесс распространения включенного состояния происходит так, как если бы он шел по всему периметру РУЭ.

Конструкция ПС с непрерывным n⁺-слоем в ВТС (фиг.3) позволяет уменьшить листовое сопротивление токопроводящих слоев ВТС, что обеспечивает более равномерное распределение тока управления по периметру включения ОТС.

Таким образом, предложенное техническое решение дает проектировщикам приборов гибкий инструмент управления статическими и динамическими параметрами с целью их совершенствования и оптимизации.

Наибольший эффект от использования рассмотренных конструктивных элементов следует ожидать при разработке импульсных тиристоров с высокой степенью разветвления РУЭ. В применении к низкочастотным приборам эффект выражается в повышении качества и надежности изделий.

Предложенные технические решения распространяются также на тиристоры с оптическим управлением, интегрированной самозащитой от пробоя, другие типы приборов.

Пример реализации.

По предлагаемому техническому решению была изготовлена партия высоковольтных мощных импульсных фототиристоров с самозащитой от пробоя на напряжение переключения 7000 В, средний ток 2500 А, на кремнии диаметром 100 мм с удельным сопротивлением 400 Ом.см.

Указанные приборы на основе ПС с многоступенчатой системой ВТС и высокой степенью разветвления РУЭ выдержали испытания на di/dt до 5000 А/мкс и воздействие импульсов тока амплитудой до 100 кА при длительности 500 мкс без разрушения.

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании и производстве различных мощных полупроводниковых приборов, предназначенных для импульсной, радиолокационной, лазерной, ядерной техники, общепромышленных изделий повышенной надежности, других областей применения.

1. Тиристор, выполненный на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре чередующихся слоя p- и n-типов электропроводности, эмиттерный анодный, коллекторный центральный и эмиттерный катодный p-n-переходы, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру (ОТС) с распределенной объемной шунтировкой эмиттерного катодного n⁺-p-перехода, внутри ОТС управляющий электрод, одну или несколько центрально-симметричных вспомогательных тиристорных структур (ВТС), распределенную поверхностную шунтировку эмиттерного катодного n⁺-р-перехода ОТС и ВТС, отличающийся тем, что в области ВТС созданы дополнительные участки (ДУ) n-типа электропроводности, расположенные под катодным металлическим слоем ВТС и выступающие из-под его внешней границы таким образом, что на границе смежных ВТС, ВТС и ОТС периодически чередуются участки с n⁺-р-переходами противоположной полярности - участки инжектирующих эмиттерных катодных n ⁺-р-переходов и n⁺-р-переходов, образованных n⁺-областями ДУ с p-базовой областью, разделенные областями поверхностных шунтов.

2. Тиристор по п.1, отличающийся тем, что дополнительные участки (ДУ) объединены общим n⁺ -слоем под катодным металлическим слоем ВТС.