Тиристор с самозащитой от пробоя

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно, к конструкции тиристоров с электрическим управлением. Техническим результатом предлагаемого технического решения для создания тиристоров с электрическим управлением и интегрированными в полупроводниковую структуру (ПС) элементами самозащиты от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения является создание конструкции, которая не усложнена введением дополнительного кольцеобразного металлизированного омического контакта к p-базе ПС, что позволит повысить надежность узла управления и конструкции в целом за счет повышения стойкости к механическим воздействиям без дополнительных материальных и технических затрат на изготовление. Для обеспечения технического результата в тиристоре с самозащитой от пробоя, выполненном на основе ПС с чередующимися слоями p-, n-, p- и n⁺-типа электропроводности, которая содержит основную (ОТС) и ряд вспомогательных (ВТС) тиристорных структур, сформированных между анодным и катодными металлическими слоями, и имеет эмиттерный анодный, коллекторный и эмиттерный катодный р-n-переходы, при этом коллекторный р-n-переход имеет в центре ПС локальную область с уменьшенной глубиной залегания, которая окружена центрально-симметричными кольцеобразными областями n⁺-типа электропроводности ряда ВТС и охватывающей их областью n⁺-типа электропроводности ОТС, причем катодные металлические слои на поверхностях n+- эмиттеров ВТС переходят через их внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, предложено снабдить управляющим выводом катодный металлический слой ВТС, которая расположена ближе к центру ПС тиристора перед ВТС с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления. 1 ил.

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями р- и n-типа электропроводности (тиристоров, симисторов, фототиристоров, фотосимисторов и др.) с интегрированными в полупроводниковую структуру прибора элементами самозащиты от пробоя.

Известна конструкция фототиристора (тиристора с оптическим управлением) с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [1] (J. Dorn, U. Keller, F.-J. Neidernostheide, H.-J. Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp. 29-35) на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей основную тиристорную структуру (ОТС), состоящую из четырех чередующихся слоев р- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных вспомогательных тиристорных структур (ВТС), и локальную область искривления среднего (коллекторного) р-n-перехода в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования. Катодные металлические слои на поверхности n⁺-эмиттеров ВТС образуют по их внешним границам общие омические контакты с р-базой ПС. Между второй и третьей ВТС находится кольцеобразный участок р-базы ПС (встроенный резистор) с определенным омическим сопротивлением, величина которого определяется уровнем легирования этого участка акцепторными примесями и его геометрическими параметрами.

В конструкции [1] не предусмотрено включение ПС электрическим током, и в ней отсутствует управляющий электрод.

Известна также конструкция силового тиристора с электрическим управлением и самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [2] (RU 2474925 C1, МПК: H01L 29/74, опубликовано 10.02.2013 г.) на основе ПС, содержащая ОТС, состоящую из четырех чередующихся слоев p-, n-, p- и n⁺-типов электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, локальную область искривления среднего (коллекторного) р-n-перехода в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных ВТС, катодные металлические слои на поверхности n⁺-эмиттеров ВТС, образующие по их внешним границам общие омические контакты с р-базой ПС, кольцеобразный участок р-базы (встроенный резистор) с омическим сопротивлением определенной величины, расположенный между второй и третьей ВТС, кольцеобразный металлический слой на поверхности р-базы (управляющий электрод) между встроенным резистором и внешней по отношению к нему ВТС, к которому присоединен управляющий вывод. Включение ПС осуществляется электрическим током, подводимым к управляющему выводу. Интегрированные в ПС элементы самозащиты от пробоя (локальные области искривления коллекторного р-n-перехода, смежные с ними ВТС, встроенные резисторы) в конструкциях [1] и [2] полностью идентичны.

Первым недостатком технического решения [2] является то, что для размещения управляющего электрода в области расположения ВТС и элементов самозащиты от пробоя требуется резервирование дополнительного участка р-базы ПС в плане, что приводит к необходимости корректирования топологии ПС.

Следствием этого является:

- усложнение конструкции ПС:

- увеличение размеров области ПС, занимаемой ВТС, элементами самозащиты, управления и разделительными участками р-типа электропроводности;

- соответствующее уменьшение активной площади ВТС;

- отклонение от оптимума исходной топологии ПС.

Все это отрицательно сказывается на статических и динамических параметрах тиристора, функционировании элементов самозащиты от пробоя и, в конечном счете, на качестве и надежности прибора.

Вторым недостатком конструкции [2], непосредственно связанным с первым, является предельно малая ширина кольцеобразного металлизированного омического контакта (управляющего электрода) к р-базе ПС, критичная даже для верхней границы заявленного диапазона (0,5-1,5) мм. В силовых тиристорах прижимной конструкции при таких размерах управляющего электрода для надежного контакта с управляющим выводом очень сложно обеспечить следующие требования:

1) высокую точность совмещения контактных элементов в процессе сборки тиристора в корпус;

2) сохранение строго зафиксированного положения контактной части управляющего вывода на узком кольцеобразном слое металлизации р-базы (управляющем электроде).

Следствием этого является:

- усложнение конструкции тиристора (дополнительная арматура, прецизионные узлы, средства фиксации сборочных единиц и др.);

- усложнение технологического оборудования и операции сборки тиристора (специальная аппаратура, оснастка, строгий контроль процесса совмещения).

Эти факторы снижают стойкость тиристора к механическим ударам, вибрациям, отрицательно сказываются на надежности узла управления (высокая вероятность потери управления) и конструкции в целом, увеличивают стоимость прибора.

Технической задачей, положенной в основу предлагаемой полезной модели, является создание тиристорной структуры с самозащитой от пробоя, которая при размещении управляющего электрода позволит избежать следующих нежелательных факторов:

- корректирования топологии ПС из-за резервирования участка для дополнительного кольцеобразного металлического омического контакта к р-базе (управляющего электрода) ПС;

- использования в ПС элементов предельно малых размеров;

- усложнения конструкции тиристора в целом, а также технологического оборудования и операций сборки, требующихся для его изготовления.

Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения для создания тиристоров с электрическим управлением и интегрированными в ПС элементами самозащиты от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения является создание конструкции, которая не усложнена введением дополнительного кольцеобразного металлизированного омического контакта к р-базе ПС, что:

- повышает надежность узла управления и конструкции в целом за счет повышения стойкости к механическим воздействиям;

- не повышает стоимость прибора, так как не требует дополнительных материальных и технических затрат на его изготовление.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в тиристоре с самозащитой от пробоя, выполненном на основе полупроводниковой структуры с чередующимися слоями p-, n-, p- и n⁺-типа электропроводности, которая содержит основную и ряд вспомогательных тиристорных структур, сформированных между анодным и катодными металлическими слоями, и имеет эмиттерный анодный, коллекторный и эмиттерный катодный р-n-переходы, при этом коллекторный р-n-переход имеет в центре полупроводниковой структуры локальную область с уменьшенной глубиной залегания, которая окружена центрально-симметричными кольцеобразными областями n⁺-типа электропроводности ряда вспомогательных тиристорных структур и охватывающей их областью n⁺-типа электропроводности основной тиристорной структуры, причем катодные металлические слои на поверхностях n⁺ -эмиттеров вспомогательных тиристорных структур переходят через их внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, при этом катодный металлический слой вспомогательной тиристорной структуры, которая расположена перед вспомогательной тиристорной структурой с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления, снабжен управляющим выводом.

Обеспечение указанного выше технического результата достигается тем, что в многослойной ПС тиристора с самозащитой от пробоя, содержащей основную тиристорную структуру и ряд вспомогательных тиристорных структур, которые выполнены на основе четырех чередующихся слоев p-, n-, p- и n⁺-типов электропроводности и сформированы между анодным и катодными металлическими слоями основной и ряда вспомогательных тиристорных структур с образованием эмиттерного анодного, коллекторного и эмиттерного катодного р-n-переходов, при этом коллекторный р-n-переход имеет локальную область искривления (с уменьшенной глубиной залегания) в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных локальных областей n⁺-эмиттеров вспомогательных тиристорных структур и охватывающей их областью n⁺-эмиттера основной тиристорной структуры, причем катодные металлические слои на поверхностях локальных n⁺-эмиттеров вспомогательных тиристорных структур образуют по внешним границам общие с р-базой ПС омические контакты за счет их перехода через внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, при этом предложено снабдить управляющим выводом катодный металлический слой вспомогательной тиристорной структуры, которая расположена ближе к центру ПС перед вспомогательной тиристорной структурой с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления, тем самым сообщить выбранному катодному слою одной из вспомогательных тиристорных структур функцию управляющего электрода для внешней по отношению к нему вспомогательной тиристорной структуры с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления.

Критерием выбора катодного металлического слоя в качестве управляющего электрода для присоединения управляющего вывода является отпирающий постоянный ток управления (I_GT) внешней по отношению к нему ВТС. Этот ток должен быть больше неотпирающего постоянного тока управления (I_GD), которым определяется помехозащищенность ПС тиристора. Чем меньше I_GD, тем ниже защищенность прибора от электромагнитных помех. Известно, что в конструкциях ПС, подобных описанным в [1, 2], I_GT ВТС возрастает по мере удаления ВТС от центра ПС тиристора. Это связано с увеличением периметра эмиттерного n+-р-перехода ВТС в месте выхода его на поверхность ПС и с соответствующим увеличением I_GT для достижения плотности тока, необходимой для включения ПС, при этом значение отпирающего постоянного тока управления I _GT должно, по крайней мере, превышать значение требуемого неотпирающего постоянного тока управления I_GD. В результате для присоединения управляющего электрода выбирается тот элемент конструкции ПС (катодный металлический слой), за которым следует ВТС, удовлетворяющая требуемому значению I_GD. При этом радиус Rn эмиттерного n+-р-перехода каждой ВТС в месте выхода его на поверхность ПС тиристора для каждой ВТС связан с соответствующим этой ВТС значением неотпирающего постоянного тока управления I_GDn соотношением:

,

где: j_GDn - плотность неотпирающего постоянного тока управления I_GDn.

Преимуществами, которыми обладает предлагаемое техническое решение в отличие от устройства-прототипа [2], являются:

- отсутствие в конструкции тиристора с электрическим управлением отдельного металлизированного омического контакта к р-базе ПС специально для присоединения к нему управляющего вывода;

- присоединение управляющего вывода к катодному металлическому слою на поверхности n+-эмиттера одной из ряда ВТС, образующему по внешней границе n+-эмиттера общий омический контакт с р-базой ПС.

Положительный эффект достигается за счет:

- упрощения конструкции ПС и тиристора в целом;

- использования для присоединения управляющего вывода имеющегося в конструкции ПС металлизированного омического контакта к р-базе, общего с контактом к n⁺-эмиттеру каждой из ряда ВТС;

- возможности выбора общего металлического контакта к р-базе ПС и n+-эмиттеру одной из ВТС в качестве управляющего электрода из условия получения оптимального сочетания параметров цепи управления тиристора;

- естественного увеличения ширины общего металлического контакта;

- уменьшения площади части ПС, отведенной под ВТС, элементы управления, интегрированные элементы самозащиты от пробоя с разделяющими их участками р-базы;

- увеличения полезной площади ВТС;

- минимального отклонения от проектной топологии ПС.

Сопоставительный анализ предлагаемого тиристора с самозащитой от пробоя с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».

На Фиг. схематически показан фрагмент ПС тиристора с самозащитой от пробоя предложенной конструкции.

Предлагаемый на фигуре вариант тиристора выполнен в виде четырехслойной тиристорной структуры на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности и содержит основную тиристорную структуру ОТС и пять вспомогательных тиристорных структур ВТС_1÷5, где: слой эмиттера р-типа электропроводности - 1; слой базы n-типа электропроводности - 2; слой базы р-типа электропроводности - 3; слои эмиттеров n+-типа электропроводности - 4, 5, 6, 7 и 8 вспомогательных тиристорных структур BTC_1÷5; слой эмиттера n⁺-типа электропроводности - 9 основной тиристорной структуры ОТС; анодный металлический слой - 10; катодные металлические слои - 11, 12, 13, 14 и 15 вспомогательных тиристорных структур BTC_1÷5 ; катодный металлический слой - 16 основной тиристорной структуры ОТС. Кроме того, устройство имеет: клемму анодного вывода - А; клемму катодного вывода - К; клемму управляющего вывода - У. Кроме того, указаны: j₁ - эмиттерные катодные р-n+-переходы вспомогательных тиристорных структур BTC_1÷5 и основной тиристорной структуры ОТС; j₂ - коллекторный р-n-переход тиристорной структуры; j₃ - эмиттерный анодный р-n-переход тиристорной структуры.

Представленный вариант ПС не содержит встроенного резистора, что не сужает общности картины. Как показано на Фиг., управляющий вывод с клеммой У подсоединен к ВТС₃ согласно сформулированному выше критерию. Ширина катодного металлического слоя 13 увеличена за счет более широкого n+-эмиттера 6 и без ущерба для топологии других элементов ПС.

Были изготовлены тиристоры предложенной конструкции на основе кремния диаметром 100 мм на напряжение переключения 4500-5000 В. Ширина кольцеобразного металлического слоя на поверхности n+-эмиттера ВТС₃, общего с омическим контактом к p-базе, составляет 3,5 мм. При ширине 0,5 мм кольцеобразного контакта управляющего вывода максимальное смещение относительно управляющего электрода без потери площади контакта равно ±1,5 мм. Из опыта серийного производства тиристоров с электрическим управлением известно, что минимальный диаметр управляющего электрода составляет 2-3 мм, что эквивалентно такой же ширине кольцеобразного металлического слоя управляющего электрода. При этом допустимое смещение оси управляющего вывода относительно оси ПС не должно превышать ±0.2 мм.

Измеренные значения отпирающих постоянных токов управления (I_GT) тиристоров составляют 300-350 мА, неотпирающие постоянные токи управления (I_GD ) не менее 45 мА.

Предложенная конструкция тиристора с самозащитой от пробоя работает следующим образом.

Тиристор включается током управления при подаче положительного смещения на управляющий вывод У относительно катода К. Анод А тиристора при этом должен находиться под положительным потенциалом относительно катода К. Процесс включения тиристора носит регенеративный характер. Это означает, что сначала ток управления включает ВТС ₄. Ток ВТС₄ является током управления ВТС ₅. Анодный ток ВТС₅, в свою очередь, является током управления ОТС. После включения ОТС процесс включения ПС тиристора завершается. При этом все ВТС_1÷5 обесточиваются.

Переключение ПС по аноду в условиях перенапряжения (режим срабатывания механизма интегрированной самозащиты от пробоя) происходит следующим образом. При достижении прямого напряжения на ПС уровня лавинообразования в локальной области искривления коллекторного р-n-перехода j₂ ток лавинного пробоя включает BTC₁. Анодный ток BTC₁ является током управления ВТС₂. После включения ВТС₂ ее анодный ток включает ВТС₃. Анодный ток ВТС ₃ является током управления ВТС₄. Последующие этапы включения аналогичны описанным выше при включении ПС током управления.

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании и производстве высоковольтных мощных тиристоров с самозащитой от пробоя для применения в современных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, на транспорте и др.

Тиристор с самозащитой от пробоя, выполенный на основе полупроводниковой структуры с чередующимися слоями -, n-, - и n⁺-типа электропроводности, которая содержит основную и несколько вспомогательных тиристорных структур, сформированных между анодным и катодными металлическими слоями, и имеет эмиттерный анодный, коллекторный и эмиттерный катодный р-n-переходы, при этом коллекторный р-n-переход имеет в центре полупроводниковой структуры локальную область с уменьшенной глубиной залегания, которая окружена рядом центрально-симметричных кольцеобразных областей n⁺-типа электропроводности вспомогательных тиристорных структур и охватывающей их областью n⁺ -типа электропроводности основной тиристорной структуры, кроме того, катодные металлические слои на поверхностях n⁺ -эмиттеров вспомогательных тиристорных структур переходят через их внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, отличающийся тем, что катодный металлический слой вспомогательной тиристорной структуры, которая расположена перед вспомогательной тиристорной структурой с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления, снабжен управляющим выводом.