Фототиристор с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, симисторов, динисторов и др.) с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств.

Технический результат в предлагаемой конструкции фототиристора, выполненного на основе многослойной ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися р- и n-типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями образующие ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную ВТС, распределенную объемную шунтировку n⁺-р-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n⁺-р-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n⁺ -p-эмиттерного перехода со стороны ВТС, достигается тем, что пороговое напряжение ВТС (U_{TO ВТС}) меньше порогового напряжения ОТС (U_{TO ОТС}) на величину R_э ×I_{H ВТС}, где R_э - сопротивление участка полупроводниковой структуры между катодными металлизированными поверхностями ОТС и ВТС, I_{H ВТС} - ток удержания ВТС, а критический заряд ОТС (Q_{кр. ОТС}) больше критического заряда ВТС (Q_{кр. ВТС}) и время выключения ОТС (t _{q ОТС}) меньше времени выключения ВТС (t_{q ВТС} ).

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями р- и n-типа электропроводности.

Заявляемые фототиристоры применяются в современных мощных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, мощных импульсных генераторах и др.

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, симисторов, динисторов и др.) с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств.

Известна конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [1] на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру (ОТС), фоточувствительную область в центре ПС, окруженную четырьмя концентрическими вспомогательными тиристорными структурами (ВТС). Время жизни неосновных носителей заряда (_p) в n - базе ОТС меньше, чем в n - базе ВТС. В p⁺-эмиттере под ВТС созданы островки n⁺ -эмиттера посредством имплантации фосфора.

Механизм защитного включения фототиристора в период восстановления запирающих свойств обусловлен инжекцией и усилением тока электронов из островков n⁺-эмиттера в фазе протекания обратного тока через ПС с последующим процессом последовательного включения ВТС и ОТС при подаче прямого напряжения.

Недостатком конструкции является наличие в ПС встроенного симметричного переключателя типа n-p-n-p-n.

Следствием этого является:

- ограничение условий реализации защитной функции, связанное с необходимостью создания режима протекания обратного тока до подачи прямого повторного напряжения;

- риск переключения прибора в обратном направлении с последующим пробоем.

Все это отрицательно сказывается на надежности фототиристора.

Известна также конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [2] на основе ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодной и катодной металлизацией, образующие ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, три последовательно соединенные ВТС для включения ОТС оптическим сигналом управления, импульсом перенапряжения и импульсом быстро нарастающего напряжения (эффект dU/dt) и две последовательно соединенные ВТС для защитного включения ОТС в период восстановления запирающих свойств. Вторая группа ВТС конструктивно выполнена следующим образом. Первая ВТС является небольшой селективной зоной включения (СЗВ) с _p, большим, чем в ОТС, расположенной от нее на расстоянии порядка четырех длин диффузионного смещения (L _p). Вторая ВТС примыкает к СЗВ и расположена на расстоянии менее одной L_p от ОТС.

Принцип действия данного варианта самозащиты в период восстановления запирающих свойств прибора основан на использовании явления диффузионного растекания подвижных носителей заряда из канала проводимости в p-базе, определяемого границей n⁺-эмиттера, в смежную область базы. В открытом состоянии фототиристора определенная доля неравновесных носителей заряда диффундирует из ОТС в СЗВ. В процессе коммутации (при уменьшении тока) концентрация избыточных носителей заряда медленнее убывает в области с большим _p, т.е. в СЗВ. В таком состоянии при подаче на прибор прямого напряжения ток, обусловленный сохранившимся в СЗВ зарядом, включает СЗВ, которая включает ВТС. В свою очередь, ВТС включает ОТС, тем самым защищая фототиристор от пробоя в неконтролируемой области.

Недостатками этой конструкции являются:

- сложность топологии области управления с параллельными группами ВТС;

- сложность контроля процессов переноса носителей тока в конструкции, содержащей элементы с объемной зарядовой связью;

- сложность оптимизации конструкции и ее технической реализации.

Следствием этого является:

- снижение эффективности самозащиты от пробоя в ряде режимов, в частности при низкой скорости спада прямого тока или при малом прямом токе на уровне тока удержания (I_H);

- риск пробоя прибора в неконтролируемой области.

Все это отрицательно влияет на надежность прибора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тиристор [3], выполненный на основе многослойной ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие ОТС, участок управляющего p-базового слоя в центре полупроводниковой структуры с металлизированной поверхностью, окруженный ВТС, распределенную объемную шунтировку n⁺ -p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку эмиттерных n⁺ -p-переходов ОТС и ВТС со стороны катодной металлизации и управляющего электрода.

Достоинством конструкции является простота технического решения, высокие динамические параметры и помехозащищенность.

Недостатки конструкции:

- отсутствие фоточувствительной области для оптического управления;

отсутствие встроенных элементов самозащиты от пробоя в несанкционированных режимах эксплуатации.

Следствием этого является ограничение функциональных возможностей и областей применения тиристоров.

Все это сказывается на качестве и надежности приборов.

Техническим результатом предлагаемого решения является:

1. Функция самозащиты фототиристора от пробоя в период восстановления запирающих свойств;

2. Дополнительная функция самозащиты от пробоя при воздействии напряжения, нарастающего со скоростью, превышающей критическую;

3. Повышение качества и надежности фототиристора.

Технический результат в предлагаемой конструкции фототиристора, выполненного на основе многослойной ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися p- и n-типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями образующие ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную ВТС, распределенную объемную шунтировку n⁺-p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n⁺-p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n⁺-p-эмиттерного перехода со стороны ВТС, достигается тем, что пороговое напряжение ВТС (U_{TO ВТС} ) меньше порогового напряжения ОТС (U_{TO ОТС}) на величину R_э×I_{H ВТС}, где R_э - сопротивление участка полупроводниковой структуры между катодными металлизированными поверхностями ОТС и ВТС, I_{H ВТС} - ток удержания ВТС, а критический заряд ОТС (Q_{кр. ОТС}) больше критического заряда ВТС (Q_{кр. ВТС}) и время выключения ОТС (t _{q ОТС}) меньше времени выключения ВТС (t_{q ВТС} ).

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:

а - разница U_{TO ОТС} - U_{TO ВТС}=U_TO>0;

б - функциональная связь U_TO, R_Э и I_{H ВТС} в виде U_TOR_э×I_{H ВТС};

в - разница Q_{кр. ОТС}-Q_{кр. ВТС}=Q_кр>0;

г - разница t_{q ВТС}-t_{q ОТС}=t_q>0.

Положительный эффект достигается за счет:

1. Увеличения плотности, поперечных размеров, уровня легирования объемных и поверхностных шунтов ВТС;

2. Увеличения ширины n⁺ -эмиттерного слоя ВТС (l_n+);

3. Уменьшения толщины p- и n-базовых слоев ВТС (W_p, W_n );

4. Уменьшения _p в n - базовом слое ОТС (_{p ОТС}) относительно _p в n-базовом слое ВТС (_{p ВТС}).

Степень изменения параметров по п.1-4 определяется конкретной конструкцией ПС.

На фиг.1а показан вариант ПС фототиристора предлагаемой конструкции в плане со стороны катодной металлизации.

На фиг.1б,в показаны сечения полупроводниковой структуры по А-А и Б-Б.

Полупроводниковая структура фототиристора предложенной конструкции (фиг.1а,б,в) содержит четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, где 1-ый слой n⁺-типа, 2-ой слой p-типа, 3-ий слой n-типа, 4-ый слой p-типа. Слои 1 и 4 являются эмиттерными, а слои 2 и 3 - базовыми. Все слои сформированы между двумя металлическим слоями 5 и 6, являющимися катодом и анодом ПС соответственно. Четырехслойная р-n-р-n⁺-структура в совокупности с катодом 5 и анодом 6 образуют ОТС (тиристор T₂) с распределенной объемной (11) и поверхностной (10) шунтировкой эмиттерного n⁺-p-перехода. В центре ПС находится фоточувствительная область 8, окруженная кольцевым слоем 7 n⁺-типа. Четырехслойная р-n-р-n⁺ -структура под катодной металлизацией 9 образует ВТС (тиристор T₁).

На фиг.2а показана эквивалентная схема ПС на дискретных элементах с сосредоточенными параметрами.

Статическая вольт - амперная характеристика (ВАХ) ПС (Т) и ее составляющих T₁ и Т₂ показана на фиг.2б.

R_б - сопротивление участка p-базы между 9 и 10 (рис.1).

R_ш - распределенная поверхностная шунтировка 10.

Д - диод (эмиттерный n⁺-p-переход ОТС).

R_н - сопротивление нагрузки в цепи тиристора Т (ПС).

I₁ - ток тиристора T₁ (BTC).

I₂ - ток тиристора T₂ (ОТС).

I_T - ток тиристора Т (ПС) (суммарный ток ОТС и BTC).

- эквивалентное сопротивление участка цепи 3-2 (на фиг.1 - сопротивление между 9 и 5),

R_Д - сопротивление диода Д.

R_эR_б+R_ш - ВАХ участка цепи 1-2 при отключенном Т₂,

I_H1 - ток удержания T₁,

I_H2 - ток удержания Т₂.

Сущность механизма защитного включения фототиристора в период восстановления запирающих свойств заключается в том, что при выполнении требований (а-г) в конструкции ПС реализуется условия, при которых в процессе коммутации тока первой включается и последней выключается BTC. Это означает, что в любых режимах BTC работает наравне с ОТС как параллельный канал проводимости.

При «медленных» (квазистатических) процессах (f50 Гц) достаточно выполнения (а, б). Для объяснения физического смысла этих требований эквивалентная схема ПС (фиг.2а) приведена к варианту, представленному на фиг.3. После включения фототиристора оптическим сигналом управления все возможные варианты проводящего состояния ПС приведены на фиг.2б.

При заданном сопротивлении нагрузки R_H с ростом анодного напряжения и тока в цепи рабочая точка на ВАХ фототиристора проходит по траектории (а-6-в-г). Участок (а-б) с повышенным дифференциальным сопротивлением обусловлен протеканием тока I₁ по участку цепи (T₁ R_э) с относительно высоким R _э. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) на участке (б-в) отражает процесс включения ОТС. На участке (в-г) фототиристор полностью включен. Стрелки на ВАХ показывают направление изменения тока через ПС.

На этапе уменьшения тока (при снижении U) рабочая точка на ВАХ проходит по другой траектории (г-д-е-а). В этом случае появление участка ОДС (д-е) связано с выключением Т₂ (ОТС) при I _H2. Рабочая точка возвращается на исходную траекторию, обусловленную протеканием тока I₁ по участку цепи (T₁ Rэ).

Участки (б-в') и (д-е') на фиг.2б отражают процессы включения и выключения Т₂ в режиме источника тока (R_H=). Участки (б-в'') и (д-е'') относятся к процессам включения и выключения Т₂ в режиме источника напряжения (R_H=0). Приведенные данные показывают, что функционирование механизма самозащиты не нарушается во всем диапазоне изменения R_H.

Для функционирования самозащиты в режиме восстановления запирающих свойств более критичным является сопротивление R_э, которое должно быть не более определенного значения R_{э мах.} Согласно (б) R_{э мах}=U_TO/I_H1. При U_TO=const значения R_{э мах} и I _H1 связаны гиперболической зависимостью (фиг.4)

В случае постоянства I_н1 значения R_эм линейно зависит от U_TO:

При R_э>R_эмах пороговое напряжение участка цепи (T₁ R_{э мах}) будет больше порогового напряжения T₂ (фиг.2, точка а'). В результате Т₁ будет выключаться первым, что противоречит основному требованию (б), т.е. нарушает функционирование механизма самозащиты.

При «быстрых» процессах коммутации для устойчивого функционирования рассматриваемого механизма самозащиты необходимо выполнение дополнительных требований (в) и (г). Это обусловлено необходимостью гарантированного сохранения остаточного заряда в n-базе ВТС на последней стадии выключения ПС.

Выполнение требования (в) сообщает прибору дополнительную функцию самозащиты от пробоя при воздействии напряжения, нарастающего со скоростью, превышающей критическую. В этом случае первой включается ВТС, анодный ток которой является током управления ОТС.

Предложенное техническое решение распространяется на варианты ПС с количеством ВТС больше одной при условии выполнения требований (а-г).

Предложенное техническое решение распространяется на варианты ПС с встроенной самозащитой от пробоя при переключении вследствие перенапряжения.

Была изготовлена партия фототиристоров по предлагаемому техническому решению с фоточувствительной областью в центре ПС и тремя ВТС на кремнии диаметром 56 мм с удельным сопротивлением 350 Ом.см на напряжение переключения 6-7 кВ.

Исследование функции самозащиты фототиристоров в режиме коммутации при неполном восстановлении запирающих свойств проводилось на установке, содержащей источники оптического управления, регулируемого постоянного тока (0-10 А), регулируемых силовых импульсов тока (0-1000 А) синусоидальной формы с длительностью 10 мс. Сначала фототиристор включался оптическим сигналом управления на постоянный ток 1-2 А. Затем постоянный ток снижался до уровня (1,5÷2)I_H и на постоянную составляющую тока проводился «наброс» силового импульса тока. Реакция фототиристора фиксировалась по виду ВАХ на экране осциллографа. Наблюдения велись при амплитуде силового тока до 10 А и постоянном токе, близком к I_H. На фиг.5 показана типичная ВАХ фототиристора с характерным гистерезисом, тремя участками ОДС на этапе нарастания силового тока и двумя участками с малым и большим дифференциальным сопротивлением на этапе уменьшения силового тока. На фиг.5 дополнительно нанесена ВАХ первой ВТС (T₁). Каждый участок ОДС является показателем включения очередной ВТС. Наличие участка ВАХ с большим дифференциальным сопротивлением вблизи I_н на этапе уменьшения силового тока доказывает на практике функционирование механизма защиты от пробоя в период восстановления запирающих свойств.

Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности.

Заявляемые фототиристоры применяются в современных мощных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, мощных импульсных генераторах и др.

Источники информации.

1. F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schulz, U.Kellner-Werdenhausen. Self-protected High-Power Thyristors. - Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56).

2. P.A.Mawby and M.S.Towers, Modelling of self-protected light-triggered thyristors. - IEE Proc. - Circuits Devices Syst. Vol.148, 2, April 2001, p.56-63.

3. Ю.А.Евсеев, А.Н.Думаневич, Ю.M.Локтаев, П.Г.Дерменжи и А.В.Конюхов, Авторское свидетельство СССР 363410, Кл. HOL 11/10, опубл. 28.09.1972.

1. Фототиристор с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненный на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися р- и n-типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру, фоточувствительную область в центре полупроводниковой структуры, окруженную вспомогательной тиристорной структурой, распределенную объемную шунтировку n ⁺-p-эмиттерного перехода основной тиристорной структуры со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n⁺-р-эмиттерного перехода основной тиристорной структуры со стороны вспомогательной тиристорной структуры, отличающийся тем, что пороговое напряжение вспомогательной тиристорной структуры меньше порогового напряжения основной тиристороной структуры на величину R_э×I_{H втс}, где R_э - сопротивление участка полупроводниковой структуры между катодными металлизированными поверхностями основной и вспомогательной тиристорных структур, I_{H втс} - ток удержания вспомогательной тиристорной структуры, а критический заряд основной тиристорной структуры больше критического заряда вспомогательной тиристорной структуры и время выключения основной тиристорной структуры меньше времени выключения вспомогательной тиристорной структуры.

2. Фототиристор по п.1, отличающийся тем, что вспомогательная тиристорная структура не содержит распределенную поверхностную шунтировку n⁺ -р-эмиттерного перехода со стороны фоточувствительной области.

3. Фототиристор по п.1, отличающийся тем, что плотность, поперечные размеры, уровень легирования объемных и поверхностных шунтов вспомогательной тиристорной структуры меньше, чем основной тиристорной структуры.

4. Фототиристор по п.1, отличающийся тем, что между основной и вспомогательной тиристорными структурами содержатся дополнительные вспомогательные тиристорные структуры в количестве одной и более с распределенной поверхностной шунтировкой со стороны фоточувствительной области.

5. Фототиристор по п.4, отличающийся тем, что ширина n⁺-эмиттера вспомогательной тиристорной структуры, граничащей с фоточувствительной областью, больше, чем аналогичный параметр других вспомогательных структур.

6. Фототиристор по пп.1-5, отличающийся тем, что толщина р-базового слоя вспомогательной тиристорной структуры, граничащей с фоточувствительной областью, меньше, чем аналогичный параметр основной тиристорной структуры.

7. Фототиристор по пп.1-5, отличающийся тем, что толщина n-базового слоя вспомогательной тиристорной структуры, граничащей с фоточувствительной областью, меньше, чем аналогичный параметр основной тиристорной структуры.