Мощный полупроводниковый импульсный тиристор

Предлагаемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована в конструкциях биполярных переключателей, например, тиристоров.

Сущность полезной модели заключается в том, что в мощном полупроводниковом импульсном тиристоре имеющем структуру n⁺pn^- p⁺-типа, в котором все эмиттреные n⁺-полосы электрически связаны металлическими эмиттерными шинами, а все базовые p-полосы электрически связаны металлическими базовыми шинами, для однородного распределения тока управления между всеми n⁺-p-эмиттерными переходами, синхронизации тем самым процесса переключения всех n⁺pn^-p⁺ -секций тиристорной структуры и повышения предельной амплитуды импульса переключаемого тока, каждая базовая p-полоса связана с базовой шиной через омическое сопротивление, величина которого много больше сопротивления на квазилинейной части прямой вольтамперной характеристики n⁺p-перехода, образованного каждой парой n⁺-эмиттерных и p-базовых полос. Это сопротивление может быть выполнено в виде участка базовой полосы, свободного от металлизации.

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована в конструкциях биполярных переключателях с S-образной характеристикой, т.е. самоподдерживающихся во включенном состоянии, например, в тиристорах. Одной из областей применения биполярных переключателей является генерация мощных коротких электрических импульсов для накачки лазеров, очистки жидких и газообразных сред электрическим разрядом, формирования мощных электромагнитных импульсов и т.п. В приборах тиристорного типа переключение инициируется импульсом тока в цепи эмиттер-база в сравнительно узкой области у края эмиттерного перехода и медленно распространяется по остальной площади полупроводниковой структуры. Поэтому для переключения коротких импульсов большого тока суммарная граница эмиттерного перехода должна иметь большую длину. В импульсной технике для этих целей обычно используется запираемый тиристор, конструкция полупроводниковой структуры которого описана, например, в патенте EP 0200863 A1 от 02.1986 г. рис.1. В этой конструкции n⁺pn^-p⁺-структуры катодный n ⁺p^--эмиттерный переход выполнен в виде большого количества эмиттерных n⁺-полос 1 с длиной 8 мм > L > 2 мм, шириной 0,5 мм > t > 0,3 мм и расстоянием между ними 0.5 мм > t > 0,3 мм. На n⁺-полосы 1 и p-слой 2 между ними нанесены металлические контакты 3 и 4, соответственно. Силовой контакт к n⁺-полосам осуществляется путем прижатия сверху металлического электрода, а управляющий сигнал на включение и выключение силового тока подводится по металлизации, нанесенной на p-слой 2. Эта металлизация образует базовые шины, соединяющиеся на базовом электроде 5. Такая конструкция позволяет получить большую суммарную длину границы эмиттерного n⁺p-перехода, однако недостатком ее является большая длина и, следовательно, большое продольное сопротивление базовых полос. Поэтому при пропускании включающего импульса тока в цепи эмиттер-база включение прибора происходит сначала в сравнительно малой области всех эмиттерных n⁺-полос 1 вокруг базового электрода 5 и затем распространяется по длине этих полос.

Эта локализация создает большую локальную плотность тока на начальной стадии процесса включения и поэтому сильно ограничивает предельно-допустимую амплитуду импульса переключаемого тока, что является недостатком рассматриваемой конструкции.

Другим недостатком является тенденция к образованию шнуров тока в местах начальных неоднородностей распределения тока управления. Такая локализация обычно возникает из-за неоднородного распределения плотности импульса тока управления как между эмиттерными n⁺-полосами, так и по периметру отдельной полосы вследствии случайных дефектов технологического характера.

Поскольку прямая вольтамперная характеристика тиристорной n ⁺pn^-p⁺-структуры является S-образной, то даже небольшая локализация начала процесса включения быстро нарастает по мере его развития и образуется токовый шнур, что также ограничивает допустимую величину переключаемого тока.

Известна также конструкция запираемого тиристора, описанная в патенте EP 1653505 A2 от 02.2004 г.

В этой конструкции, вид сверху который показан на рис.2, длина L эмиттерных и базовых полос 1 и 2, и, следовательно, их тангенциальное сопротивление, значительно уменьшены за счет уменьшения размеров тиристорного чипа до 13,5*13,5 мм². Это увеличивает относительную площадь области первоначального включения и, соответственно, увеличивает предельную амплитуду импульса переключаемого тока на единицу площади чипа.

Однако, в этой конструкции не устранен второй недостаток, а именно, большая чувствительность к начальным неоднородностям процесса включения, связанная с S-образностью вольтамперной характеристики тиристорной n⁺pn ^-p⁺-структуры и приводящая к локализации процесса включения.

Целью предлагаемой полезной модели является устранение этого недостатка, т.е. подавление локализации процесса включения тиристорной n⁺pn^-p⁺ -структуры и повышение тем самым предельной амплитуды импульса переключаемого тока.

Сущность полезной модели и ее отличие от прототипа.

Поставленная цель достигается в показанном на рис.3 полупроводниковом переключающем приборе, например, в тиристоре, имеющем n⁺pn^-p ⁺-структуру полупроводникового чипа, в котором все эмиттерные n⁺-полосы 1 электрически связаны между собой металлическими эмиттерными шинами 2, а все базовые p-полосы 3 электрически связаны между собой металлическими базовыми шинами 4, отличающиеся от известных конструкций тем, что каждая базовая p^--полоса связана с шиной не накоротко металлизации, а через омическое сопротивление 5, величина которого значительно больше, чем сопротивление квазилинейной части прямой вольтамперной характеристики n ⁺p-перехода, образованного каждой парой n⁺-эмиттерных 1 и p-базовых 2 полос и одинаково для всех p-базовых полос. Сопротивление 5 может быть выполнено, например, в виде участка базовой полосы, свободного от металлизации.

Вольтамперная характеристика n⁺p-перехода в первом приближении может быть представлена в виде двух участков. На первом участке (до напряжения ~0,6 В для кремниевых n⁺p-переходов) практически отсутствует инжекция неосновных носителей (электронов) и сопротивление очень велико, а на втором начинается инжекция, быстро нарастающая с ростом напряжения. Сопротивление n⁺p-перехода при этом в условиях низкого уровня инжекции в p-базовых полосах практически определяется сопротивлением R_б-участка р-базы под n⁺p-переходом

где _cp - усредненное удельное сопротивление материала р-базы, d - ее толщина, L и m - длина и ширина эмиттерной полосы.

При этом предполагается, что ширина достаточно мала для того, чтобы протекание тока можно было считать однородным по площади полосы. Локальное неконтролируемое изменение технологических параметров в процессе изготовления прибора может привести к локальному уменьшению R_б и, следовательно, к увеличению тока управления, т.е., к опережающему развитию процесса включения в этой локальной области и разрушению прибора. Согласно предлагаемой полезной модели, каждая базовая полоса подключается к шине через последовательное сопротивление, например, создаваемое участком полосы, свободным от металлического контакта на длине , причем его сопротивление

должно быть много больше R_б . В этом случае распределение тока управления между эмиттерными полосами будет определяться, в основном, сопротивлением R ₀, величина которого может контролироваться достаточно точно и обеспечивать, таким образом, синхронизацию запуска процесса переключения всех тиристорных n⁺pn^-p ⁺-секций.

Конкретный пример выполнения.

На пластине кремния с удельным сопротивлением =150 Омсм были изготовлены чипы мощных импульсных тиристоров с конструкцией p-базовых полос согласно предлагаемой модели (рис.3) и чипы тиристоров, в которых p-базовые полосы соединялись с базовыми шинами металлизацией без разрывов.

Основные конструктивные параметры чипов:

Длина области базовых полос, свободной от

Предельная амплитуда импульса переключаемого тока определялась в малоиндуктивной схеме, обеспечивающей скорость нарастания тока 10⁴ А/мкс. Для чипов с конструкцией согласно предлагаемой полезной модели, предельные значения амплитуды тока были в диапазоне 2,5-3 кА, а для контрольных образцов без сопротивления в цепи базовых полос эти значения были в диапазоне 1,0-1,3 кА. Длительность импульса тока на полувысоте при этом составляла ~0,5 мкс.

Список литературы:

1. Патент EP 0200863 A1

«Semiconductor device, with structure of thyristor and diode» от 27.02.1986 г.

2. Патент EP 1653505 A2

«Method for fabricating and connecting a semiconductor power switching device» от 24.10.2004 г.

1. Мощный полупроводниковый импульсный тиристор, имеющий структуру n⁺pn^-p⁺-типа, (n⁺ , p⁺ сильнолегированные эмиттерные области n и p-типа проводимости, p-базовая область со средним уровнем легирования, n^--слаболегированный исходный материал), в котором все чередующиеся эмиттерные n⁺-полосы электрически связаны с металлическими эмиттерными шинами, а все чередующиеся базовые p-полосы электрически связаны с металлическими базовыми шинами, отличающийся тем, что каждая базовая полоса подключена к металлической базовой шине через последовательное сопротивление, величина которого много больше, чем сопротивление квазилинейной части прямой вольтамперной характеристики n⁺p-перехода, образованного каждой парой n⁺-эмиттерных и p-базовых полос.

2. Мощный полупроводниковый импульсный тиристор по п.1, отличающийся тем, что последовательное сопротивление выполнено в виде участка базовой полосы, свободного от металлизации.