Полупроводниковое переключающее устройство

Полезная модель относится к переключающим устройствам на основе быстродействующих запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых по цепи управления, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательной техники. Переключающее устройство включает запираемый тиристор, содержащий по меньшей мере один кремниевый чип, и два генератора для включения и выключения тиристора. Кремниевый чип тиристора состоит из множества параллельно электрически соединенных микротиристорных р⁺n'Мр'n ⁺-ячеек, включающих р⁺n'-эмиттерный переход, n'-буферный слой с толщиной 5÷15 мкм, слаболегированную N-базу, р'-базу с толщиной 1÷5 мкм, коллекторный p'N-переход, охранные кольца вокруг периферии коллекторного p'N-перехода, n⁺р'-эмиттерный переход и металлические контакты к p'N-эмиттерному переходу, n'-буферному слою и n ⁺р'-эмиттерному переходу. Оба генератора выполнены низковольтными, обеспечивают микросекундные импульсы тока и подключены в цепь управления тиристора эмиттер-база.

1 сам. п.ф-лы, 1 илл., 5 п.

Полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов, конкретно - к переключающим устройствам на основе быстродействующих запираемых тиристоров, включаемых и выключаемых по цепи управления, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательной техники.

Известен переключающий прибор [заявка Японии JP2004158844(A) H01L 29/06], содержащий запираемый тиристор и два низковольтных генератора микросекундных импульсов тока для включения и выключения тиристора путем пропускания импульсов по цепи управления АВ эмиттер-база. В тиристоре высоковольтный коллекторный p'N-переход защищен от поверхностного пробоя с помощью охранных колец, выполненных в виде кольцевых диффузионных p'N-переходов. Электроды управления элементарных ячеек прибора выведены на верхнюю поверхность полупроводниковой пластины, где расположены охранные кольца, а металлический электрод, через который осуществляется теплоотвод, расположен с противоположной стороны пластины. Широкая N-база прибора выполнена без буферного n'-слоя у анодного эмиттерного p⁺N-переxoдa и поэтому имеет ширину большую, чем толщина области объемного заряда (ООЗ) коллекторного p'N-перехода при предельном блокируемом напряжении.

Недостатком такой конструкции является большие потери энергии во включенном состоянии, а также при включении и выключении.

Известен переключатель, содержащий запираемый тиристор и два низковольтных генератора микросекундных импульсов тока для включения и выключения тиристора путем пропускания импульсов по цепи управления АВ эмиттер-база [A.Weber, N.Gasler, E.Tsyplakov "A new generation of assimetric and reverse conducting GTOs", PC/M97, Nurnberg, Power Conversion, June 1997]. Тиристор выполнен на основе кремниевой структуры n ⁺p'Nn'p⁺-типа, содержащий n⁺ р'-управляющий эмиттерный переход, широкую слаболегированную N-базу, в которую со стороны, противоположной узкой р'-базе, введен тонкий буферный n'-слой толщиной 10÷15 мкм с повышенной концентрацией легирующей примеси (10¹⁶÷10 ¹⁸ см^-3), а в этом слое выполнен эмиттерный р⁺-слой толщиной 2÷5 мкм с высокой концентрацией легирующей примеси (10¹⁹÷10²⁰)см ^-3.

Включение этого прибора производится пропусканием импульса прямого тока через управляющий n⁺ р'-переход, а для выключения через этот переход пропускают импульс обратного тока. Поскольку р'- и n'-слои имеют толщину в десятки микрон, процесс переключения происходит медленно, что приводит к большим потерям энергии в приборе. Процесс выключения также является медленным, поскольку при протекании обратного тока через n⁺р'-переход и восстановлении коллекторного p'N-перехода в базовой N-области остается много электронно-дырочной плазмы, рассасывание которой происходит медленно через запертый p'N-переход. Протекание этого тока при нарастающем напряжении приводит к большим потерям энергии.

Недостатком устройства является ограничение его рабочей частоты вследствие больших потерь энергии при включении и выключении.

Известно полупроводниковое переключающее устройство [Патент 2335824 от 20.02.2007 «Запираемый тиристор и способ его работы», автор Грехов И.В.], взятое за прототип, содержащее запираемый тиристор и два генератора импульсов - высоковольтный наносекундный генератор для включения по силовой цепи АС и низковольтный микросекундный генератор импульсов выключения по цепи управления АВ эмиттер-база, позволяющее решить задачу увеличения рабочей частоты за счет уменьшения коммутационных потерь вследствие сокращения времени включения и выключения. Кремниевый чип запираемого тиристора состоит из множества параллельных ячеек, каждая из которых представляет собой р⁺n'Nр'n⁺-структуру (чередование слоев - обратное по сравнению с описанным ранее аналогом), содержащую управляющий эмиттерный p⁺n'-переход, выполненный в тонком n'-буферном слое (5÷15 мкм), введенном в широкую N-базу, коллекторный p'N-переход, выполненный путем диффузии алюминия с поверхностной концентрацией (10¹⁸÷10 ¹⁷)см^-3 и расположенный на глубине (50÷120) мкм, а также неуправляемый эмиттерный n⁺р'-переход. Для защиты коллекторного p'N-перехода от пробоя по поверхности краевой контур прибора выполнен в виде позитивной кольцевой фаски, осуществляющей увеличение ширины области объемного заряда (ООЗ) коллекторного р'N-перехода в месте выхода его на поверхность кремниевой пластины. Принципиальной особенностью этого запираемого тиристора является то, что управляемый p⁺n'-эмиттерный переход отделен от коллекторного p'N-перехода базовой N-областью, имеющей большую толщину.

Для выключения устройства через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для управляющего р⁺n'-перехода (минус на р⁺-слое). При этом прерывается инжекция дырок из р⁺-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из n'-слоев и затем из N-слоев. Ток через n⁺р'-переход продолжает протекать до тех пор, пока вся электронно-дырочная плазма не будет удалена импульсом тока управления, после чего коллекторный p'N-переход переходит в запертое состояние, и устройство резко выключается практически без «хвоста» тока. Этот процесс выключения принципиально отличается от процесса в приборах с управляющим эмиттерным переходом в тонкой р'-базе тем, что возрастает задержка выключения, но резко сокращается длительность спада тока и нарастания напряжения, и, следовательно, уменьшаются потери при выключении и увеличивается рабочая частота.

Включение прибора, в принципе, может осуществляться обычным способом, т.е., путем пропускания через управляющую цепь импульса тока в проводящем направлении для р⁺n'-перехода. Инжектируемые этим переходом дырки диффундируют через n'-слой и квазинейтральную часть N-базы, попадают в область объемного заряда (ООЗ) коллекторного p'N-перехода, быстро дрейфуют в электрическом поле ООЗ к р'-слою и, попав в него, вызывают инжекцию электронов из n+р'-эмиттера. Эти электроны диффундируют через р'-слой, попадают в ООЗ коллектора и т.д. В рассматриваемой конструкции тиристорной р⁺n'Np'n⁺-структуры с позитивной фаской для надежной защиты коллекторного p'N-перехода от пробоя по поверхности толщина р'-слоя обычно составляет 50÷100 мкм. Таким образом, на начальной стадии процесса включения электроны и дырки медленно дрейфуют через широкие n'N и р'-слои, что приводит к большой задержке процесса включения и последующего медленного нарастания тока. Поэтому для быстрого включения используется другой физический процесс. Быстрое включение такого устройства осуществляется путем приложения к нему в запорном для коллекторного p'N-перехода импульса перенапряжения со скоростью нарастания не менее 1 кВ/нс. Этот импульс возбуждает у p'N-перехода ударно-ионизационный фронт, который проходит за доли наносекунды широкую N-базу, заполняя ее хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой и обеспечивая тем самым быстрое переключение устройства в проводящее состояние. Однако формирование высоковольтного импульса перенапряжения с такой скоростью нарастания является достаточно сложной инженерной задачей и требует использования сложного устройства - генератора высоковольтного импульса с наносекундным фронтом нарастания для включения тиристора.

Таким образом основным недостатком прототипа является сложность конструкции устройства.

Решаемой задачей является упрощение конструкции полупроводникового переключающего устройства при сохранении быстродействия (малого времени его включения и выключения).

Задача решается полупроводниковым переключающим устройством, включающим запираемый тиристор, содержащий по меньшей мере один кремниевый чип, и два генератора для включения и выключения тиристора, кремниевый чип тиристора состоит из множества параллельно электрически соединенных микротиристорных р⁺n'Nр'n ⁺-ячеек, включающих р+n'-эмиттерный переход, n'-буферный слой с толщиной 5÷15 мкм, слаболегированную N-базу, р'-базу с толщиной 1÷5 мкм, коллекторный p'N-переход, охранные кольца вокруг периферии коллекторного p'N-перехода, n ⁺р'-эмиттерный переход, металлические контакты к р ⁺n-эмиттерному переходу, n'-буферному слою и n+р'-эмиттерному переходу, а генераторы выполнены с возможностью создания низковольтных микросекундных импульсов тока и подключены в цепь управления тиристора эмиттер-база.

На Фиг. схематически изображена предлагаемая конструкция устройства, где:

1 - р⁺n'Nр'n'-микротиристорная ячейка;

2 - управляющий эмиттерный р⁺n'-переход;

3 - n'-буферный слой;

4 - слаболегированная N-база;

5 - р'-база;

6 - n ⁺р'-эмиттерный переход;

7 - коллекторный p'N-переход;

8 -охранные кольца;

9 - металлический контакт к n⁺р-эмиттерному переходу;

10 - металлический контакт к р⁺n'-эмиттерному переходу;

11 - металлический контакт к n'-буферному слою;

12 - генератор микросекундных импульсов включения;

13 - генератор микросекундных импульсов выключения;

А - общий анодный контакт ко всем р⁺n'-эмиттерным переходам;

B - общий контакт ко всем выводам буферного n'-слоя;

С - катодный контакт тиристора.

Поскольку кремниевый чип тиристора состоит из десятков тысяч элементарных ячеек 1 с металлическими контактами к эмиттеру и базе, т.е. с довольно сложным топологическим рисунком управляющего р⁺n'-эмиттерного перехода 2, то эта плоскость кремниевой пластины должна быть верхней и не закрытой сплошным металлическим контактом. Поэтому сплошной металлический катодный контакт 10, через который осуществляется теплоотвод, соединен с n⁺р'-эмиттерным переходом 6, общим для всех микротиристорных ячеек и расположенным на нижней плоскости полупроводниковой пластины, причем n⁺р'-эмиттерный переход и катодный контакт имеют диаметр меньший, чем диаметр кремниевой пластины, на величину, необходимую для размещения охранных колец вокруг периферии планарного коллекторного р'N-перехода 7.

В предлагаемой конструкции применение в тиристорной структуре (с таким же чередованием слоев, как и в прототипе) охранных колец для защиты коллекторного p'N-перехода от пробоя по поверхности вместо позитивной фаски дало возможность резко уменьшить толщину р'-базового слоя и поэтому увеличить быстродействие прибора при включении путем пропускания низковольтного микросекундного импульса тока в цепи управления, т.е. обычным для тиристорной техники методом, что позволило отказаться от применения сложного генератора высоковольтных наносекундных импульсов, используемого в прототипе, и, следовательно, упростить конструкцию устройства.

Это объясняется тем, что в данном устройстве процессы включения и выключения протекают следующим образом. В исходном состоянии приложенное к тиристорной ячейке 1 напряжение (плюс на р⁺-слое) блокируется коллекторным p'N-переходом 7, причем область объемного заряда этого обратносмещенного перехода должна полностью занимать всю толщину слаболегированной N-базы 4. Для включения прибора в цепи управления АВ пропускается импульс тока (от генератора микросекундных импульсов включения 12) в прямом направлении через эмиттерный р⁺n'-переход 2 (плюс на р⁺-слое), инжектируемые им дырки быстро диффундируют через тонкий (толщиной 5÷15 мкм) буферный n'-слой 3 в область объемного заряда коллекторного перехода 7, пролетают эту область с насыщенной скоростью (V_S5·10⁶ см/сек) и, попадая в р'-базу 5, вызывают инжекцию электронов из n⁺р'-эмиттера 6. Эти электроны быстро диффундируют через тонкую (толщиной 1÷5 мкм) р'-базу 5 в область объемного заряда коллекторного перехода 7 и, попадая в n'-слой 3, вызывают встречную инжекцию дырок эмиттерным р⁺n'-переходом 2. Благодаря малым временам диффузии и пролета носителей через все слои процесс переключения р⁺n'Nр'n⁺-тиристорных ячеек 1 протекает быстро (за десятки наносекунд, и потери энергии при этом очень малы. Выключение тиристора осуществляется путем пропускания по управляющей цепи АВ импульса тока (от генератора микросекундных импульсов выключения 13) в направлении, запорном для управляющего эмиттерного p'N-перехода 2 (минус на р⁺-слое). При этом прерывается инжекция дырок из р⁺-слоя, протекающим током удаляется электронно-дырочная плазма из n'-слоя 3 и, затем, из N-слоя 4, после чего коллекторный p'N-переход 7 переходит в запертое состояние, и прибор резко выключается почти без «хвоста» тока. Небольшой «хвост» определяется выносом небольшого количества остаточной плазмы из р'-базы 5 за время диффузионного пролета электронами р'-области.

Эксперименты показали, что при толщине буферного n'-слоя 3 в пределах 5÷15 мкм (как и в прототипе) при обычно используемой в таких тиристорах поверхностной концентрации легирующей примеси (фосфора) 10¹⁷÷10¹⁸ см^-3, толщина р'-базы 5 должна лежать в пределах 1÷5 мкм при обычно используемой поверхностной концентрации легирующей примеси (бора) 10¹⁷÷10¹⁸ см^-3. Такие толщины легко воспроизводятся технологически и обеспечивают хорошее быстродействие тиристора при включении и выключении. При толщинах меньше указанного минимума даже при небольших флуктуациях технологических режимов их изготовления возникает опасность прокола базовых слоев областью объемного заряда коллекторного p'N-перехода и снижение вследствие этого предельного блокируемого напряжения. Увеличение же толщин выше указанного максимума приводит к тому, что переключение тиристора во включенное состояние становится невозможным из-за уменьшения коэффициентов усиления составляющих его транзисторов. Выбранный диапазон толщин базового слоя совместно с толщиной буферного слоя обеспечивает высокое быстродействие тиристора, поскольку даже при максимальных толщинах n' и p' слоев время диффузионного пролета носителей через них составляет, соответственно, , где W_n', - толщина буферного n'-слоя, W_p' - толщина базового р'-слоя, D_p =12 см²/с, D_n=35 см²/с - коэффициенты диффузии, соответственно, дырок и электронов в кремнии.

Изготовление таких тиристоров производится с помощью обычных процессов, используемых в планарной микроэлектронной технологии: имплантация и диффузия примесей в кремниевую пластину с созданием требуемой конфигурации с помощью окисления и фотолитографии. Фотолитография и диффузия примесей проводятся с обеих сторон кремниевой пластины.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Внешнее напряжение силовой цепи с нагрузкой прикладывается к клеммам А и С (минус на клемме С) и блокируется коллекторным p'N-переходом 7, смещающимся в запорном направлении. После этого в цепи АВ пропускают короткий (микросекундный) импульс тока (плюс на клемме А) от генератора включения 12, протекание которого сопровождается инжекцией дырок эмиттерным р⁺n'-переходом 2, что приводит к переключению тиристора в проводящее состояние. Для выключения тиристора к клеммам АВ прикладывается импульс обратного тока от генератора выключения 13, смещающий эмиттерный р⁺n'- переход 2 в запорном направлении (минус на р⁺-слое). При этом в цепи АВ протекает спадающий во времени импульс дырочного тока, и тиристор переходит в выключенное состояние.

Пример 1.

Было создано переключающее устройство с изготовленным тиристорным чипом, состоящим из 10⁴ элементарных микротиристорных ячеек 1 с размером ячейки 10×120 мкм. Концентрация легирующей примеси (фосфора) в широкой N-базе 4 N_d=5·10¹³, толщина этой базы W _n=250 мкм, напряжение пробоя коллекторного p'N-перехода 7 2300 В. Для предотвращения поверхностного пробоя было сделано восемь охранных колец 8 с расстоянием 20 мкм между кольцами. Глубина n'N-перехода была 15 мкм, глубина p'N-перехода 2 была 5 мкм, т.е. толщина буферного n'-слоя 3 была 10 мкм. Глубина p'N-перехода 7 была 6 мкм, глубина n+р'-перехода 6 была 2 мкм, т.е. толщина базового р'-слоя 5 составила 4 мкм. Общий размер чипа 9×9 мм², рабочая площадь 7×7 мм², рабочий ток 50 А. Испытания проводились при стандартном рабочем напряжении 1150 В, равным половине напряжения пробоя коллектора. При включении импульсом тока 0.5 А от генератора включения 12 время задержки включения составило 300 нс, время нарастания тока до 50 А ~200 нс. При выключении импульсом обратного тока (напряжение 10 В) от генератора выключения 13 время задержки составило 1 мкс, время спада тока от 0.9 до 0.1 от амплитуды 50 А составило 200 нс.

Тиристорная структура переключающего устройства-прототипа была выполнена с аналогичными параметрами слоев, за исключением глубины p'N-перехода, которая составляла 100 мкм, и толщины базового р'-слоя, которая составляла 90 мкм. Включение структуры проводилось импульсом с напряжением 2.5 кВ и временем нарастания 2 нс. Время нарастания тока до 10 А ~0.5 нс и до 50 А -200 нс. При выключении импульсом обратного тока (напряжение 10 В) с длительностью 15 мкс время задержки составило 2 мкс, время спада тока от 0.9 до 0.1 от амплитуды 50 А составило 200 нс.

Таким образом, динамические параметры процессов включения и выключения предлагаемого устройства и устройства-прототипа отличаются несущественно, но генератор импульсов для включения в предлагаемом устройстве значительно проще.

Пример 2.

То же, что в примере 1, но n'-буферный слой выполнен толщиной 5 мкм. В результате несколько снизилось блокируемое напряжение - примерно до 2000 В.

Пример 3.

То же, что в примере 1, но n'-буферный слой выполнен толщиной 15 мкм. В результате время задержки включения возросло до 500 нс, время нарастания тока - до 300 нс.

Пример 4.

То же, что в примере 1, но р'-база выполнена толщиной 1 мкм.

В результате времена задержки включения и выключения уменьшились на 50%, время нарастания и спада тока на 30%, но несколько снизилось блокируемое напряжение.

Пример 5.

То же, что в примере 1, но р'-база выполнена толщиной 5 мкм.

В результате примерно на ~10% возросли времена задержки включения и выключения и на ~5% времена нарастания и спада тока.

Параметры процессов включения и выключения предлагаемого устройства, полученные в примерах 2÷5, также удовлетворяют условиям сохранения быстродействия, свойственного прототипу.

Полупроводниковое переключающее устройство, включающее запираемый тиристор, содержащий по меньшей мере один кремниевый чип, и два генератора для включения и выключения тиристора, кремниевый чип тиристора состоит из множества параллельно электрически соединенных микротиристорных p⁺n'Np'n⁺-ячеек, включающих р⁺n'-эмиттерный переход, n'-буферный слой с толщиной 5÷15 мкм, слаболегированную N-базу, р'-базу с толщиной 1÷5 мкм, коллекторный p'N-переход, охранные кольца вокруг периферии коллекторного p'N-перехода, n ⁺р'-эмиттерный переход и металлические контакты к р ⁺n'-эмиттерному переходу, n'-буферному слою и n ⁺р'-эмиттерному переходу, а генераторы выполнены с возможностью создания низковольтных микросекундных импульсов тока и подключены в цепь управления тиристора эмиттер-база.