способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты)
Классы МПК: | H01L29/86 управляемые только изменением электрического тока или электрического потенциала, приложенного к одному или нескольким электродам, по которым проходит выпрямляемый, усиливаемый, генерируемый или переключаемый ток |
Автор(ы): | Ефанов Владимир Михайлович, Кардо-Сысоев Алексей Федорович |
Патентообладатель(и): | Ефанов Владимир Михайлович, Кардо-Сысоев Алексей Федорович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-04-10 публикация патента:
20.06.1998 |
Использование: полупроводниковая техника, способы переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа. Сущность изобретения: в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа импульс управления, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению dU/dt > 2E0W/
s, где Eo - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см; W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая. Толщина слоя W не превышает 0,2 см;
s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, равное
s = W/Vs, где Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре. Во втором варианте способа импульс управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению dU/dt > 4E0W/
s, где Eo - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см; W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая. Толщина слоя W не превышает 0,2 см;
s - пролетное время подвижных носителей заряда через высокоомный слой толщиной W, равное
s = W/Vs, где Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и эффективности способа переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа за счет уменьшения коммутационных и остаточных потерь в структуре и увеличения коммутируемых напряжения и тока. 2 с.п.ф-лы, 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
Формула изобретения
1. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, отличающийся тем, что импульс управления, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-12t.gif)
где E0 - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая;
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-13t.gif)
где Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см. 2. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, отличающийся тем, что импульс управления с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-14t.gif)
где E0 - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая;
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
где Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области полупроводниковой техники, а именно к способам переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, используемых в лазерной, ускорительной, локационной технике и т.п., а также в ряде областей преобразовательной техники. Известен способ переключения тиристора с обратной проводимостью, находящегося в прямом блокирующем состоянии, к которому сначала прикладывают дополнительный импульс обратного анодного напряжения, амплитуда и длительность которого достаточны для инжекции в базы необходимого числа носителей, инициирующих процесс переключения, а затем прикладывают импульс прямого напряжения [1]. Одним из существенных недостатков этого известного способа является ограниченное быстродействие приборов, вызванное существующими ограничениями (техническими и физическими) на скорость внесения необходимого заряда электронно-дырочной плазмы, что приводит к снижению быстродействия способа переключения и не позволяет обеспечить время включения тиристора меньше чем за 50 нс. Кроме того, известный способ применим только для переключения тиристора специальной структуры, обеспечивающей его обратную проводимость, что, в свою очередь, приводит к ограничению возможных областей применения. Коммутация больших мощностей полупроводниковыми структурами любого типа производится путем резкого увеличения проводимости слоя, который в начальном состоянии имеет очень высокое сопротивление и блокирует приложенное к структуре рабочее напряжение. Таким слоем обычно является область объемного заряда p-n-перехода. Резкое увеличение проводимости этого слоя осуществляется путем заполнения его хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой. Предельные коммутационные характеристики структуры определяются возможностью быстрого создания плазменного слоя с большой проводимостью на месте слоя с высоким сопротивлением. В наиболее мощных полупроводниковых структурах ключевого типа плазменные слои формируются инжекцией носителей из сильнолегированных эмиттерных слоев, а переключение инициируется пропусканием импульса тока в цепи эмиттер - база вдоль тонкого базового слоя. Из-за большого сопротивления слоя p-n-перехода инжекция электронов локализуется в узком канале вдоль границы эмиттер - база. Такая локализация делает практически невозможным создание токопроводящего канала большой площади, а это, в свою очередь, приводит к ограничению удельной величины коммутируемой мощности и скорости коммутации. Однако известны способы коммутации полупроводниковых структур, позволяющие повысить коммутируемую мощность и скорость коммутации [2]. Эти способы основаны на принципе коммутации с помощью задержанной ударно- ионизационной волны. Одним из недостатков этих способов коммутации полупроводниковых структур является то, что структуры обладают высоким остаточным напряжением во включенном состоянии, составляющим 20 - 30% от рабочего напряжения. Другим недостатком этих способов являются низкие рабочие напряжения, не превышающие 1 - 1,5 кВ. Кроме того, для этих способов коммутации с помощью задержанной ударно-ионизационной волны характерна сложная технология изготовления соответствующих им полупроводниковых структур. Из известных способов коммутации полупроводниковых структур ключевого типа в качестве прототипа выбран способ коммутации диодного обострителя импульсов [3] , основанный на коммутации полупроводниковой структуры, блокирующей рабочее напряжение с помощью задержанной ударно-ионизационной волны. Известный способ обладает теми же недостатками, что и аналоги, а именновысоким остаточным напряжением на структуре в ее включенном состоянии;
низким рабочим напряжением, не превышающим 1 - 1,5 кВ;
сложной технологией изготовления тиристорных обострителей на основе принципа коммутации с помощью задержанной ударно-ионизационной волны. Задача изобретения направлена на повышение быстродействия и эффективности способа переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа за счет уменьшения коммутационных и остаточных потерь в полупроводниковой структуре, а также увеличение коммутируемых напряжения и тока. Поставленная задача достигается тем, что в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, последний, совпадающий с полярностью рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-2t.gif)
где
E0 - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая;
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-3t.gif)
где
Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см. Поставленная задача достигается также и тем, что в способе переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, в которых высокоомным слоем или его частью блокируется рабочее напряжение, а затем на структуру подается импульс управления, последний с полярностью, противоположной полярности рабочего напряжения, подают на полупроводниковую структуру до момента ее переключения, причем скорость нарастания импульса управления удовлетворяет соотношению
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-4t.gif)
где
E0 - характеристическое поле полупроводниковой кремниевой структуры, равное 105 В/см;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры, характеризующаяся уровнем легирования акцепторной Na или донорной Nd примесями, не более 1015 см-3 каждая;
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113003/964.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-5t.gif)
где
Vs - насыщенная скорость дрейфа носителей в полупроводниковой структуре;
W - толщина высокоомного слоя полупроводниковой структуры не превышает 0,2 см. Предлагаемый способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа по сравнению с прототипом позволяет
расширить диапазон используемых для коммутации полупроводниковых структур;
уменьшить время перехода структуры из непроводящего состояния в проводящее, что приводит к повышению быстродействия;
уменьшить коммутационные потери, при этом остаточные напряжения после переключения могут быть менее 5% от рабочего напряжения;
увеличить рабочие токи переключаемых структур;
повысить рабочее напряжение до 5 кВ и более;
повысить рабочие частоты до 50 кГц и более;
существенно уменьшить по сравнению с известными структурами габаритные размеры полупроводниковой структуры, коммутирующей заданную импульсную мощность. Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить быстродействие и эффективность переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа и увеличить коммутируемую мощность. Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлена блок-схема, реализующая предлагаемый способ переключения;
на фиг. 2 - 4 изображены поперечные сечения различных типов полупроводниковых структур, выбранных в качестве примеров возможных структур, используемых для коммутации;
на фиг. 5 - 7 - переходные характеристики переключения (эпюры напряжения и тока) для полупроводниковых структур;
на фиг. 5 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 2;
на фиг. 6 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 3;
на фиг. 7 - для полупроводниковой структуры, представленной на фиг. 4. Блок-схема (фиг. 1) содержит источник энергии 1, который заряжает до рабочего напряжения конденсатор 2, выполняющий функцию накопителя энергии, резистор 3, являющийся нагрузкой, индуктивность 4, полупроводниковую структуру ключевого типа 5 и генератор импульсов управления 6. Полупроводниковая структура 5 имеет контакты 7. Источник 1 (фиг.1) соединен через конденсатор 2 с резистором 3, а через индуктивность 4 с полупроводниковой структурой 5 и генератором импульсов управления 6. Реализация предлагаемого способа показана на примерах с различными типами полупроводниковых структур, выполненных из кремния и предназначенных для коммутации с помощью блок-схемы, изображенной на фиг. 1. Пример 1. Способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур реализован на полупроводниковой структуре ключевого типа, представленной на фиг. 2. От импульсного источника энергии за время, равное 5
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-6t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 1013 В/c. В результате воздействия импульса управления (фиг. 5, верхняя эпюра) полупроводниковая структура 5 за время менее 1 нс переходит в проводящее состояние и пропускает импульс рабочего тока в резистор 3. При этом амплитуда тока в нагрузке составляет величину 100 А, а длина импульса приблизительно равна 3
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-7t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 1,2
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
Nd = 2
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-8t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 5
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-9t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 7
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-10t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 7
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113744/2113744-11t.gif)
составила в данной структуре при эксперименте 9
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
![способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа (варианты), патент № 2113744](/images/patents/358/2113002/183.gif)
Класс H01L29/86 управляемые только изменением электрического тока или электрического потенциала, приложенного к одному или нескольким электродам, по которым проходит выпрямляемый, усиливаемый, генерируемый или переключаемый ток