Силовой запираемый тиристор

Полезная модель относится к конструкции силовых полупроводниковых приборов, а именно, к конструкции силовых запираемых тиристоров, в т.ч. с «жесткой» коммутацией, (т.н. GCT- Gate Commutated Thyristor).

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_T/dt)_crit и повторяющегося импульсного запираемого тока I_TQRM.

Технический результат достигается тем, что силовой запираемый тиристор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержит анодный слой р⁺-типа, базовый слой n-типа, базовый слой р-типа, множество радиальных полосковых эмиттеров n⁺-типа, образующих с базовым слоем р-типа эмиттерные n⁺-р-переходы и сгруппированных в несколько концентрических колец. В пределах каждого концентрического кольца полосковые эмиттеры n⁺-типа, имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому. Поверхности анодного р ⁺-слоя, базового р-слоя и полосковых эмиттеров n⁺ -типа металлизированы, а поверхности эмиттерных n⁺ -р-переходов пассивированы изоляционными пленками. Металлизация базового р-слоя, контактирующая с управляющим электродом и охватывающая полосковые эмиттеры n⁺-типа, частично расположена над изоляционными пленками эмиттерных n⁺-р-переходов и ее границы равноудалены от смежных границ полосковых эмиттеров. При этом расстояние Y_GC между смежными границами изоляционных пленок под металлизацией базового р-слоя и полосковых эмиттеров n⁺-типа, определяющее величину линейного сопротивления R_GC между металлизацией базового слоя р-типа и полосковым эмиттером n⁺-типа, увеличивается по направлению к управляющему электроду как при переходе от одного из концентрических колец к другому, так и вдоль полосковых эмиттеров n⁺ -типа каждого концентрического кольца. В формуле полезной модели приведены выражения, позволяющие рассчитать, как нужно изменять значения Y_GC и R_GC вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типa и при переходе от одного из концентрических колец к другому, чтобы обеспечить однородное включение и выключение всех элементарных тиристоров.

Полезная модель относится к конструкции силовых полупроводниковых приборов, а именно, к конструкции силовых запираемых тиристоров, в т.ч. с «жесткой» коммутацией (т.н. GCT и ЕСТ- Gate Commutated Thyristor и Emitter Commutated Thyristor, соответственно).

Известна конструкция силового запираемого тиристора [1], содержащего полупроводниковую структуру с множеством радиальных полосковых катодных эмиттеров, сгруппированных в несколько концентрических участков, в пределах которых эмиттеры имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому, и базовую область, охватывающую эмиттеры и снабженную металлизацией, контактирующей с управляющим электродом, причем ширина неметаллизированных частей базовой области в пределах каждого из концентрических участков одинакова и увеличивается от одного из концентрических участков к другому по направлению к управляющему электроду, при этом разность ширин для соседних концентрических участков определяется из соответствующего выражения.

Увеличение ширины неметаллизированных частей базовой области приводит к увеличению сопротивления между металлизацией базовой области и полосковыми катодными эмиттерами и, соответственно, к увеличению падения напряжения при протекании отпирающего и запирающего токов управления. Это компенсирует падение напряжения на металлизации базовой области между эмиттерами в соседнем концентрическом участке, более удаленном от управляющего электрода. В результате повышается однородность распределения токов управления для эмиттеров в различных концентрических участках. Это приводит к повышению критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_т/dt)_сrit [А/мкс] и повторяющегося импульсного запираемого тока I_TQRM [А].

Данное решение, однако, не обеспечивает равномерного распределения линейной плотности токов управления по длине полосковых эмиттеров в каждом из концентрических участков. Тем самым не достигаются максимально возможные значения (di_т/dt) _сrit и I_TQRM для прибора данного типоразмера.

Самое близкое решение [2] относится к конструкции силового запираемого тиристора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержащего снизу вверх анодный слой р⁺-типа, базовый слой n-типа, базовый слой р-типа, множество радиальных полосковых эмиттеров n⁺-типа, образующих с базовым слоем р-типа эмиттерные n⁺-р-переходы и сгруппированных в несколько концентрических колец, в пределах каждого из которых они имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому, металлизации анодного p ⁺-cлoя, базового р-слоя и полосковых эмиттеров n⁺ -типа, причем поверхности эмиттерных n⁺-переходов пассивированы изоляционными пленками, а металлизация базового р-слоя, контактирующая с управляющим электродом и охватывающая полосковые эмиттеры n⁺-типа, частично расположена над изоляционными пленками эмиттерных n⁺-p-переходов и ее границы равноудалены от смежных границ полосковых эмиттеров, при этом расстояние Y_GC [см] между смежными границами изоляционных пленок под металлизацией базового р-слоя и полосковых эмиттеров n⁺-типа, определяющее величину линейного сопротивления R_GC [Ом·см] между металлизацией базового слоя р-типа и полосковым эмиттером n⁺-типа, увеличивается по направлению к управляющему электроду как при переходе от одного из концентрических колец к другому, так и вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типа каждого концентрического кольца.

В [2] рассматриваются различные варианты конструкции силового запираемого тиристора. Однако, наиболее предпочтительной (с технологической точки зрения) является конструкция с одинаковым кратчайшим расстоянием между смежными границами металлизации базового слоя р-типа и любого полоскового эмиттера n⁺-типа, с постоянным значением сопротивления растекания базового слоя р-типа R_sp [Ом/·###U240], но с переменной шириной изоляционной пленки, определяющей границы контакта металлизации с базовым слоем р-типа. При этом R _GC=Y_GC·R_sp. Такая конструкция позволяет уменьшить сопротивление металлизации и точнее регулировать R_GC, так как величину Y_GC можно прецизионно задавать фотолитографией.

Данное техническое решение устраняет вышеуказанный недостаток решения, предложенного в [1]. Однако в [2] отсутствуют соответствующие выражения, позволяющие рассчитать, как нужно изменять значения Y_GC и R _GC вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типа и при переходе от одного из концентрических колец к другому, чтобы обеспечить однородное включение и выключение всех элементарных тиристоров, образованных полосковыми эмиттерами n⁺ -типа, базовыми слоями р- и n-типа и анодным слоем р⁺ -типа. Это затрудняет практическую реализацию решения, предложенного в [2].

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_т/dt)_сrit и повторяющегося импульсного запираемого тока I_TQRM.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции силового запираемого тиристора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержащего снизу вверх анодный слой р⁺-типа, базовый слой n-типа, базовый слой р-типа, множество радиальных полосковых эмиттеров n⁺-типа, образующих с базовой областью р-типа эмиттерные n⁺ -p-переходы и сгруппированных в несколько концентрических колец, в пределах каждого из которых они имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому, металлизации анодного р⁺-слоя, базового р-слоя и полосковых эмиттеров n ⁺-типа, причем поверхности эмиттерных n⁺-переходов пассивированы изоляционными пленками, а металлизация базового р-слоя, контактирующая с управляющим электродом и охватывающая полосковые эмиттеры n⁺-типа, частично расположена над изоляционными пленками эмиттерных n⁺-переходов и ее границы равноудалены от смежных границ полосковые эмиттеров, при этом расстояние Y_GC [см] между смежными границами изоляционных пленок под металлизацией базового р-слоя и полосковых эмиттеров n⁺-типа, определяющее величину линейного сопротивления R_GC [Ом·см] между металлизацией базовой области р-типа и полосковым эмиттером n⁺-типа, увеличивается по направлению к управляющему электроду как при переходе от одного из концентрических колец к другому, так и вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типа каждого концентрического кольца, зависимости расстояния Y_GC и линейного сопротивления R_GC от координаты вдоль полоскового эмиттера n ⁺-типа каждого концентрического кольца и при переходе от одного из концентрических колец к другому определяются из выражений:

где индекс i означает номер концентрического кольца, причем нумерация колец возрастает по направлению к управляющему электроду;

х_i [см] - координата вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа i-го концентрического кольца, возрастающая в сторону управляющего электрода: 0x_il_ei;

l_ei [см] - длина полоскового эмиттера n⁺-типа i-го концентрического кольца;

Y_GCi(x_i) [см] - значение Y_GC в i-ом концентрическом кольце в произвольной точке x_i;

Y_GCi(0) [см] - значение Y_GCi при х_i=0, для полосковых эмиттеров 1-го концентрического кольца равное произвольному, минимально допустимому значению Y_GCmin [см], а для полосковых эмиттеров остальных колец - максимальным значениям Y_GCmax [см] в предшествующих кольцах;

R_sm [Ом/###U240] - сопротивление растекания металлизации базового слоя р-типа;

R_sp [Ом/###U240] - сопротивление растекания базового р-слоя;

a _i [см] - полуширина металлизации базового р-слоя между двумя соседними полосковыми эмиттерами i-го концентрического кольца при x_i=0;

_i[°] - половина угла между двумя соседними полосковыми эмиттерами i-го концентрического кольца, причем _i>0, если ширина металлизации базового р-слоя возрастает с ростом x_i, и _i<0, если наоборот;

L _i [см] - длина всех полосковых эмиттеров концентрических колец с номерами от 1 до i-1, приведенная к одному полосковому эмиттеру i-го концентрического кольца:

где N_i, N_k - количество полосковых эмиттеров, соответственно, в i-том и k-том концентрическом кольце;

l_ek [см] - длина полоскового эмиттера n⁺-типа k-го концентрического кольца.

Признаком, отличающим данное техническое решение от прототипа, является то, что зависимости расстояния Y_GC и линейного сопротивления R_GC от координаты вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа каждого концентрического кольца и при переходе от одного из концентрических колец к другому определяются из выражений (1) и (2) с учетом (3).

Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что при определении зависимостей расстояния Y_GCi(x_i ) и линейного сопротивления R_GCi(х_i) от координаты вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа каждого концентрического кольца и при переходе от одного из концентрических колец к другому из выражений (1) и (2) с учетом (3) обеспечивается равномерное распределение отпирающих и запирающих токов управления по длине полосковых эмиттеров n⁺-типа во всех концентрических кольцах. Это, в свою очередь, приводит к однородному включению и выключению силового запираемого тиристора (СЗТ) по всей его активной площади, что позволяет достичь для прибора данного типоразмера максимально возможных значений критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_т/dt)_сrit и повторяющегося импульсного запираемого тока I_TQRM .

На фиг.1 и 2 схематически изображена топология (вид сверху) силового запираемого тиристора (СЗТ) с полосковыми эмиттерами n⁺-типа, сгруппированными в трех концентрических кольцах и, соответственно, с центральным управляющим электродом и периферийным кольцевым управляющим электродом.

На фиг.3 схематически изображена топология СЗТ (вид сверху) с полосковыми эмиттерами n⁺-типа, сгруппированными в четырех концентрических кольцах, и с кольцевым управляющим электродом между двумя парами концентрических колец.

На фиг.4 изображен фрагмент поперечного сечения СЗТ планарной конструкции в пределах полуширины полоскового эмиттера n⁺-типа и полуширины базового р-слоя между соседними полосковыми эмиттерами n⁺-типа.

На фиг.5 и 6 схематически изображены фрагменты топологии СЗТ, когда полуширина металлизации базового р-слоя между соседними полосковыми эмиттерами n ⁺-типа, соответственно, возрастает и убывает по направлению к управляющему электроду.

На фиг.7 представлены расчетные зависимости Y_GCi(x_i) для СЗТ с полосковыми эмиттерами n⁺-типа, сгруппированными в четырех концентрических кольцах, и с центральным управляющим электродом.

Силовой запираемый тиристор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности (фиг.1-4) и содержит снизу вверх (фиг.4) анодный слой р⁺-типа 2, базовый слой n-типа 3, базовый слой р-типа 4, множество радиальных полосковых эмиттеров n⁺-типа 5, образующих с базовой областью р-типа эмиттерные n⁺-p-переходы 6 и сгруппированных в несколько концентрических колец i=1÷4 (фиг.1-3), металлизации 7, 8 и 9, соответственно, анодного р⁺-слоя 2, базового р-слоя 4 и полосковых эмиттеров n⁺-типа 5. Полосковые эмиттеры n⁺-типа 5 в пределах каждого из концентрических колец имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому. Поверхности эмиттерных n⁺-p-переходов 6 пассивированы изоляционными пленками 10 (фиг.4). Металлизация 8 базового р-слоя 4 контактирует с управляющим электродом 11 (фиг.1-3), охватывает полосковые эмиттеры n⁺-типа 5 и частично расположена над изоляционными пленками 10 эмиттерных n⁺-p-переходов 5 (фиг.4). Границы 12 металлизации 8 базового р-слоя равноудалены от смежных границ 13 полосковых эмиттеров 5. Расстояние Y_GC между границами 14 изоляционных пленок под металлизацией базового р-слоя и смежными границами 13 полосковых эмиттеров n⁺-типа и соответствующее ему линейное сопротивление R_GC увеличиваются по направлению к управляющему электроду как при переходе от одного из концентрических колец к другому, так и вдоль полосковых эмиттеров n⁺ -типа каждого концентрического кольца. Их зависимости от координаты вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа каждого концентрического кольца и при переходе от одного из концентрических колец к другому определяются из выражений (1) и (2) с учетом (3).

На фиг.5 и 6 ось х_i совмещена с границей 13 полоскового эмиттера n⁺-типа i-гo концентрического кольца, а 15 - биссектриса угла между соседними полосковыми эмиттерами в этом кольце.

При работе СЗТ в случае подачи на прибор импульсов отпирающего и запирающего токов управления переменное сопротивление R_GCi(x_i), компенсируя соответствующие изменения сопротивления металлизации базового р-слоя, приводит к равномерному распределению этих токов вдоль границ всех полосковых эмиттеров n⁺-типа. Это, в свою очередь, приводит к равномерному включению и выключению всех элементарных тиристоров прибора, т.е. по всей его активной площади. Тем самым, в приборе данного типоразмера при включении и выключении достигаются максимально возможные значения, соответственно, критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di_т/dt)_сrit и повторяющегося импульсного запираемого тока I_TQRM .

Пример реализации. Для примера реализации взяли СЗТ на основе кремниевой пластины n-типа с удельным сопротивлением 110 Ом·см и диаметром 56 мм. Приборы были изготовлены с центральным управляющим электродом и с полосковыми эмиттерами n⁺-типа, сгруппированными в четырех концентрических кольцах. В кольцах с номерами i=1, 2, 3 и 4 содержались, соответственно, 220, 160, 100 и 60 полосковых эмиттеров n⁺-типа. Ввиду сужения металлизации базового слоя между соседними полосковыми эмиттерами в любом кольце по направлению к управляющему электроду, угол _i в выражении (1) был принят отрицательным. Значение линейного сопротивления R_GCi(x_i ) регулировалось величиной Y_GCi(х_i) при постоянном значении R_sp, равном 25 Ом/###U240. Сопротивление растекания R_sm базовой металлизации было равно 0,0025 Ом/###U240. Минимальное значение Y_GCi(x_i ) при i=1 и x₁=0 было принято равным 20 мкм, что соответствовало минимальному значению R_GCmin, равному 0,05 Ом·см. Зависимости Y_GCi(х_i), рассчитанные при этих данных по выражению (1) с учетом (3), представлены на фиг.7.

Из-за отсутствия в прототипе конкретного способа расчета Y_GCi(x_i) для сравнения взяли прибор по аналогу. Это тем более разумно, что в прототипе допускается вариант конструкции СЗТ, предложенный в аналоге. Образцы СЗТ по аналогу имели точно такие же параметры, как и образцы по предложенной полезной модели, за исключением расстояния Y_GC. В соответствии с аналогом [1] значения Y_GC были постоянными вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типа каждого концентрического кольца, но увеличивались при переходе от одного из концентрических колец к другому по направлению к управляющему электроду. При этом в кольцах с номерами i=1, 2, 3 и 4, как и в [1], значения Y_GC были приняты равными, 20, 35, 65 и 115 мкм, соответственно.

Образцы СЗТ были изготовлены по стандартной для этих приборов технологии. Всего были изготовлены по 15 шт. СЗТ обоих вариантов. Испытания образцов СЗТ по предложенной полезной модели показали, что значения (di_т/dt)_сrit и I _TQRM превышают, соответственно, 1600 А/мкс и 2000 А. В то же время для образцов по аналогу значения этих параметров были равны, соответственно, 1000 А/мкс и 1600 А.

Следует отметить, что в случае СЗТ с кольцевым управляющим электродом, расположенным между концентрическими кольцами, в которых сгруппированы полосковые эмиттеры n⁺-типа, как на фиг.3, угол _i в выражении (1) положителен для колец меньшего диаметра и отрицателен для колец большего диаметра, чем управляющий электрод. Предложенная полезная модель справедлива также и в случае СЗТ меза-планарной и меза-конструкции.

Источники информации

1. Патент СССР 1616450, кл. H01L 29/743, публ. 30.01.1994 г.

2. Патент США 4843449, кл. H01L 29/74, публ. 27.06.1989 г.

Силовой запираемый тиристор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержащий снизу вверх анодный слой p⁺-типа, базовый слой n-типа, базовый слой p-типа, множество радиальных полосковых эмиттеров n⁺-типа, образующих с базовым слоем p-типа эмиттерные n⁺-p-переходы и сгруппированных в несколько концентрических колец, в пределах каждого из которых они имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому, металлизации анодного p ⁺-слоя, базового p-слоя и полосковых эмиттеров n⁺ -типа, причем поверхности эмиттерных n⁺-p-переходов пассивированы изоляционными пленками, а металлизация базового p-слоя, контактирующая с управляющим электродом и охватывающая полосковые эмиттеры n⁺-типа, частично расположена над изоляционными пленками эмиттерных n⁺-p-переходов и ее границы равноудалены от смежных границ полосковых эмиттеров, при этом расстояние Y_GC [см] между смежными границами изоляционных пленок под металлизацией базового p-слоя и полосковых эмиттеров n⁺-типа, определяющее величину линейного сопротивления R_GC[Ом·см] между металлизацией базового слоя p-типа и полосковым эмиттером n⁺-типа, увеличивается по направлению к управляющему электроду как при переходе от одного из концентрических колец к другому, так и вдоль полосковых эмиттеров n⁺-типа каждого концентрического кольца, отличающийся тем, что зависимости расстояния Y_GC и линейного сопротивления R_GC от координаты вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа каждого концентрического кольца и при переходе от одного из концентрических колец к другому определяются из выражений:

где индекс i означает номер концентрического кольца, причем нумерация колец возрастает по направлению к управляющему электроду;

x_i [см] - координата вдоль полоскового эмиттера n⁺-типа i-го концентрического кольца, возрастающая в сторону управляющего электрода, 0x_il_ei;

l_ei [см] - длина полоскового эмиттера n⁺-типа i-го концентрического кольца;

Y_GCi(x_i) [см] и R_GCi(x _i) [Ом·см] - значения соответственно Y_GC и R_GC в i-м концентрическом кольце в произвольной точке x_i;

Y_GCi(0) [см] - значение Y_GCi при x_i=0, для полосковых эмиттеров l-го концентрического кольца, равное произвольному, минимально допустимому значению Y_GCmin [см], а для полосковых эмиттеров остальных колец - максимальным значениям Y_GCmax [см] в предшествующих кольцах;

R_sm [Ом/] - сопротивление растекания металлизации базового слоя p-типа;

R_sp [Ом/] - сопротивление растекания базового p-слоя;

a _i [см] - полуширина металлизации базового p-слоя между двумя соседними полосковыми эмиттерами i-го концентрического кольца при x_i=0;

_i[°] - половина угла между двумя соседними полосковыми эмиттерами i-го концентрического кольца, причем _i>0, если ширина металлизации базового p-слоя возрастает с ростом x_i, и _i<0, если наоборот;

L_i [см] - длина всех полосковых эмиттеров концентрических колец с номерами от 1 до i-1, приведенная к одному полосковому эмиттеру i-го концентрического кольца:

где N_i, N_k - количество полосковых эмиттеров соответственно в i-м и k-м концентрическом кольце;

l_ek [см] - длина полоскового эмиттера n⁺-типа k-го концентрического кольца.