силовой полупроводниковый прибор

Формула изобретения

Силовой полупроводниковый прибор, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий снизу вверх эмиттерный p⁺-слой, базовый n-слой, базовый p-слой, основной эмиттерный n ⁺-слой, образующие совместно с электродами анода и катода основную тиристорную зону и зону внешнего управления, для которой электрод анода, эмиттерный р⁺-слой, базовый n-слой и базовый p-слой являются общими с основной тиристорной зоной, при этом, по меньшей мере, основной эмиттерный n ⁺-слой содержит точечные шунты, регулярно распределенные по всей его площади, и периферийные шунты, разделяющие этот слой на участки, обращенные в сторону зоны внешнего управления, отличающийся тем, что основной эмиттерный n⁺-слой вблизи своей границы содержит точечные шунты только первого типа, а в остальной части - точечные шунты как первого, так и второго типа, имеющие в плане меньшую площадь сечений, чем шунты первого типа, при этом сопротивление R_рб [Ом] участка базового p-слоя, заключенного между зоной внешнего управления, электродом катода и указанными участками основного эмиттерного n⁺-слоя, обратно пропорционально площади зоны внешнего управления S_зву [см ²] и удовлетворяет условию

R_э1 R_рб·S_зву R_э2,

где R_э1 [Ом·см²] - удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого типа, расположенных вблизи границы основного эмиттерного n⁺-слоя;

R _э2 [Ом·см²] - удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого и второго типа, расположенных в остальной части основного эмиттерного n⁺ -слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых тиристоров, в т.ч. фототиристоров.

Тиристоры и фототиристоры равной мощности отличаются между собой только конструкцией зоны внешнего управления. В случае тиристоров зона внешнего управления содержит управляющий электрод, позволяющий включать их током от внешнего источника, а в случае фототиристоров - фотоокно, позволяющее включать их током, генерируемым внешним световым сигналом.

Известна конструкция силового полупроводникового прибора - тиристора [1] (патент США №4150390, кл. Н01L 29/74, публ. 17.04.1979 г.), содержащая зону внешнего управления, включающую в себя управляющий электрод, и шунты, распределенные по всей площади основного эмиттерного n ⁺-слоя, у которого l₁ [мкм] - расстояние от границы основного эмиттерного n⁺-слоя, обращенной в сторону управляющего электрода, до ближайшего к ней первого ряда шунтов, l₂ [мкм] - расстояние между шунтами первого ряда и l₃ [мкм] - расстояние между шунтами в остальной части основного эмиттерного n⁺-слоя удовлетворяют условиям: l ₂ 2l₁, l₃=(1,5÷5)l ₂, причем l₁=100÷350 мкм. Все расстояния отсчитываются от центров соответствующих шунтов.

Такая конструкция имеет следующие недостатки. При значениях l₁ и l₂, близких к наибольшим (соответственно, 350 и 700 мкм), эффективность шунтировки основного эмиттерного n⁺-слоя вблизи его границы, обращенной в сторону управляющего электрода, малоэффективна, особенно при относительно больших значениях площади зоны внешнего управления S_зву [см³ ]. Это приводит к снижению критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (du_D/dt) _crit [В/мкс]. При значениях же l₁ , близких к 100 мкм, резко уменьшается площадь области первоначального включения прибора, так как ширина этой области меньше l ₁. Кроме этого, при малых значениях l₁ значения l₂ также малы, так как по условию l₂ 2l₁. При этом малы и зазоры между шунтами первого ряда, что препятствует быстрому включению прибора и тем самым снижает его нагрузочную способность.

Самое близкое решение [2] (авторское свидетельство СССР №363410, кл. H01L 11/10, публ. 25.08.1976 г.) относится к конструкции силового полупроводникового прибора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего снизу вверх эмиттерный р⁺-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n ⁺-слой, образующие совместно с электродами анода и катода основную тиристорную зону, и зону внешнего управления, для которой электрод анода, эмиттерный p⁺-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими с основной тиристорной зоной, при этом, по меньшей мере, основной эмиттерный n ⁺-слой содержит точечные шунты, регулярно распределенные по всей его площади, и периферийные шунты, разделяющие этот слой на участки, обращенные в сторону зоны внешнего управления.

Это решение позволяет частично устранить недостатки описанной выше конструкции. Однако оно также не учитывает взаимосвязь между площадью зоны внешнего управления S_зву и сопротивлением R_рб [Ом] участка базового р-слоя, заключенного между зоной внешнего управления, электродом катода и указанными участками основного эмиттерного n ⁺-слоя. Из его описания следует, что ширина периферийных шунтов и расстояние между ними должны быть равны, соответственно, диаметру точечных шунтов и расстоянию между ними. Таким образом, полагается, что все точечные шунты имеют одинаковые диаметры и равномерно распределены по площади основного эмиттерного n ⁺-слоя.

Из-за отсутствия взаимосвязи между R _рб и S_зву периферийная шунтировка оказывается избыточной при малых значениях S_зву , что затрудняет процесс включения тиристора и тем самым приводит к снижению нагрузочной способности прибора. По этой же причине периферийная шунтировка оказывается недостаточно эффективной при больших значениях S_зву, что приводит к снижению (du_D/dt)_crit и повышению времени выключения тиристора t_q [мкс]. Кроме того, при равномерной шунтировке основного эмиттерного n⁺-слоя по всей площади точечными шунтами одного типа эффективность шунтировки этого слоя, за исключением приграничных его участков, оказывается избыточной. Это приводит к повышению импульсного напряжения в открытом состоянии, следствием чего также является снижение нагрузочной способности прибора.

Техническим результатом предлагаемого решения является обеспечение стабильных значений критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (du_D/dt) _crit и времени выключения t_q независимо от площади зоны внешнего управления S_зву и повышение нагрузочной способности тиристора.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции силового полупроводникового прибора, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего снизу вверх эмиттерный р⁺-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n ⁺-слой, образующие совместно с электродами анода и катода основную тиристорную зону, и зону внешнего управления, для которой электрод анода, эмиттерный р⁺-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими с основной тиристорной зоной, при этом, по меньшей мере, основной эмиттерный n ⁺-слой содержит точечные шунты, регулярно распределенные по всей его площади, и периферийные шунты, разделяющие этот слой на участки, обращенные в сторону зоны внешнего управления, основной эмиттерный n⁺-слой вблизи своей границы содержит точечные шунты только первого типа, а в остальной части - точечные шунты как первого, так и второго типа, имеющие в плане меньшую площадь сечений, чем шунты первого типа, при этом сопротивление R_рб [Ом] участка базового р-слоя, заключенного между зоной внешнего управления, электродом катода и указанными участками основного эмиттерного n⁺-слоя, обратно пропорционально площади зоны внешнего управления S _зву и удовлетворяет условию:

где R_э1 [Ом·см ²] - удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого типа, расположенных вблизи границы основного эмиттерного n ⁺-слоя;

R_э2 [Ом·см ²] - удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого и второго типа, расположенных в остальной части основного эмиттерного n⁺-слоя.

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение от прототипа, относятся:

1. Основной эмиттерный n⁺-слой вблизи своей границы содержит точечные шунты только первого типа, а в остальной части - точечные шунты как первого, так и второго типа, имеющие в плане меньшую площадь сечений, чем шунты первого типа;

2. Сопротивление R_рб участка базового р-слоя, заключенного между зоной внешнего управления, электродом катода и выступающими из-под него участками основного эмиттерного n⁺-слоя, удовлетворяет условию (1).

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что при выполнении условия (1) периферийная шунтировка основного эмиттерного n⁺-слоя оптимальна, поскольку она по эффективности не превосходит шунтировку этого слоя вблизи его границы шунтами первого типа и не уступает по эффективности шунтировке этого слоя точечными шунтами первого и второго типа. При этом независимо от площади зоны внешнего управления S _зву обеспечиваются стабильные значения критической скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (du _D/dt)_crit и времени выключения t _q. Соответствующая комбинация точечных шунтов первого и второго типа позволяет обеспечить требуемое значение R _э2, исключив тем самым избыточную эффективность шунтировки основного эмиттерного n⁺-слоя за пределами его приграничных участков. Это приводит к повышению нагрузочной способности тиристора.

На фиг.1 изображен силовой полупроводниковый прибор (тиристор) предложенной конструкции, когда зона внешнего управления (ЗВУ) содержит вспомогательную тиристорную зону и управляющий электрод (вид сверху).

На фиг.2 показано сечение прибора, изображенного на фиг.1, по линии А-А.

Силовой полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями 2 и 3, расположенными на противоположных сторонах пластины. Прибор содержит эмиттерный р⁺-слой 4, базовый n-слой 5, базовый р-слой 6, основной эмиттерный n ⁺-слой 7, образующие между электродами анода 8 и катода 9 основную тиристорную зону (ОТЗ). Прибор содержит также зону внешнего управления (ЗВУ) (фиг.2), для которой электрод анода, эмиттерный р⁺-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими с ОТЗ. Основной эмиттерный n ⁺-слой 7 содержит точечные шунты 10 и 11, регулярно распределенные по всей его площади, и периферийные шунты 12, разделяющие этот слой на участки 13, обращенные в сторону зоны внешнего управления. Вблизи своей границы 14, обращенной в сторону зоны внешнего управления, основной эмиттерный n-слой содержит точечные шунты только первого типа 10, а в остальной части - точечные шунты как первого типа, так и второго типа 11. В плоскости главной поверхности 3 шунты второго типа имеют меньшую площадь сечений, чем шунты первого типа. Между зоной внешнего управления, электродом катода 9 и участками 13 основного эмиттерного n⁺-слоя заключен участок 15 базового р-слоя 6. Сопротивление R _рб этого участка обратно пропорционально площади зоны внешнего управления S_зву и удовлетворяет условию (1).

ЗВУ содержит со стороны главной поверхности 3 вспомогательный эмиттерный n⁺-слой 16, управляющий электрод 17 и электрод 18. Вспомогательный эмиттерный n ⁺-слой 16 совместно с эмиттерным р⁺ -слоем 4, базовым n-слоем 5 и базовым р-слоем 6 образует вспомогательную тиристорную зону (ВТЗ). Электрод 18 шунтирует границу вспомогательного эмиттерного n⁺-слоя со стороны ОТЗ и служит одновременно управляющим электродом ОТЗ.

Точечные шунты основного эмиттерного n⁺-слоя 7 на фиг.2 не показаны. Внешняя граница 19 основного эмиттерного n ⁺-слоя 7 на фиг.1 и 2 зашунтирована вдоль всего периметра. Однако она может быть зашунтирована так же, как и граница 14, обращенная в сторону ЗВУ.

Зона внешнего управления может содержать две и более вспомогательные тиристорные зоны, а вместо управляющего электрода 17 - фотоокно для включения прибора светом. Более того, под управляющим электродом (или фотоокном) может быть использовано любое из известных технических решений, обеспечивающих самозащиту прибора от перенапряжений.

Основной эмиттерный n⁺-слой 7 совместно с базовым р-слоем 6 образует эмиттерный n⁺-р-переход ОТЗ, а базовый р-слой совместно с базовым n-слоем - коллекторный р-n-переход прибора. Шунты основного эмиттерного n⁺ -слоя являются одновременно и шунтами эмиттерного n ⁺-р-перехода ОТЗ. Поэтому в дальнейшем будем использовать оба этих термина.

При работе прибора, когда к нему прикладывается импульс напряжения в закрытом состоянии, емкостные токи различных участков коллекторного р-n-перехода замыкаются на электрод катода разными путями. Емкостной ток участка коллекторного р-n-перехода, расположенного за пределами проекции внешней границы 19 основного эмиттерного n⁺-слоя 7, протекает к электроду катода 9 непосредственно через кольцевой шунт, не оказывая, таким образом, никакого влияния на ОТЗ. Емкостной ток участка этого р-n-перехода, расположенного в пределах ОТЗ, протекает к электроду катода преимущественно через точечные шунты 10, 11. Из-за падения напряжения на базовом р-слое 6 это приводит к смещению эмиттерного n⁺-р-перехода ОТЗ между шунтами в прямом направлении. Емкостной ток участка коллекторного р-n-перехода, расположенного в пределах ЗВУ, протекает к электроду катода через сопротивление R_рб участка 15 базового р-слоя. Это приводит к смещению в прямом направлении эмиттерного n ⁺-р-перехода ОТЗ под участками 13 основного эмиттерного n⁺-слоя 7.

Ограничение значения R _рб сверху величиной R_э2/S _зву (в предлагаемой конструкции всегда R _э2>R_э1, так как шунты второго типа менее эффективны, чем шунты первого типа) обусловлено следующим. При выполнении этого условия эмиттерный n⁺ -р-переход ОТЗ в области точечных шунтов двух типов и периферийных шунтов смещается в прямом направлении в равной мере. Поэтому тиристор независимо от величины S_зву имеет заданное значение (du_D/dt) _crib, соответствующее величине R_э2 . Это же условие приводит к снижению коммутационных потерь при включении прибора и тем самым к повышению его нагрузочной способности.

При работе прибора в открытом состоянии коэффициент инжекции эмиттерного n⁺-р-перехода в области точечных шунтов двух типов выше, чем вблизи его границы в области шунтов только первого типа. Это приводит к уменьшению импульсного напряжения в открытом состоянии и, соответственно, к повышению нагрузочной способности прибора. По этой же причине плотность тока через ОТЗ наибольшая в области основного эмиттерного n ⁺-слоя 7, содержащей точечные шунты двух типов, и наименьшая вблизи границы этого слоя, где он содержит шунты только первого типа. Вследствие этого уменьшается плотность избыточного заряда электронов и дырок, проникающего за счет диффузии из участка базового n-слоя в пределах ОТЗ в смежные участки этого слоя. Благодаря этому и более высокой эффективности шунтов первого типа вблизи границы основного эмиттерного n⁺ -слоя практически полностью исключается влияние указанного избыточного заряда на время выключения тиристора t_q . Этому же способствует и повышение эффективности периферийной шунтировки основного эмиттерного n⁺-слоя. Однако чрезмерное повышение эффективности этой шунтировки тормозит процесс включения ОТЗ через ЗВУ, что приводит к росту коммутационных потерь и снижению нагрузочной способности прибора. Поэтому значения R_рб ограничены снизу величиной R _э1/S_зву.

На фиг.1 представлен вариант прибора, когда основной эмиттерный n⁺ -слой содержит вблизи границы 14 только один ряд шунтов первого типа. При необходимости, например при больших значениях диффузионной длины неравновесных носителей заряда, прибор может содержать более одного ряда шунтов первого типа. Более того, число таких рядов может быть разным вдоль различных участков границы 14 основного эмиттерного n⁺-слоя.

В этом же варианте прибора (фиг.1) в области основного эмиттерного n ⁺-слоя, содержащей шунты первого и второго типа, представлены равные количества шунтов обоих типов. Однако в зависимости от требуемых значений t_q и (du _D/dt)_crit, прибор может содержать разные количества этих шунтов: чем больше шунтов первого типа, тем меньше t_q и больше (du _D/dt)_crit, и наоборот.

Сопротивление R_рб участка 15 базового р-слоя при заданных размерах ЗВУ можно регулировать путем изменения ширины и формы периферийных шунтов 12, расстояния между их центрами, высоты участков 13 основного эмиттерного n⁺-слоя, выступающих из-под электрода катода, расстояния от этих участков до ЗВУ, а также сопротивления растекания базового р-слоя. Такой широкий набор параметров позволяет в каждом конкретном случае выбрать оптимальный вариант достижения требуемого значения R _рб.

Пример реализации. Для примера реализации взяли тиристор на средний ток в открытом состоянии 800 А, повторяющееся напряжение 2800 В. Тиристоры изготавливали на основе кремниевых пластин диаметром 56 мм и толщиной 600 мкм. Эмиттерный р ⁺-слой 4 и базовый р-слой 6 создавали одновременной диффузией бора и алюминия. Основной 7 и вспомогательный 16 эмиттерные n ⁺-слои формировали селективной диффузией фосфора. Диаметры шунтов первого типа основного эмиттерного n⁺ -слоя 7 были равны 120 мкм, а шунтов второго типа - 60 мкм. Расстояние между центрами соседних шунтов как одного, так и разного типов было одинаковым и составляло 600 мкм. Электрод анода 8 создавали сплавлением кремниевых структур с термокомпенсаторами, а электрод катода 9, управляющий электрод 17 и электрод 18 - напылением алюминия.

Вблизи границы 14 основного эмиттерного n ⁺-слоя 7 был создан только 1 ряд шунтов первого типа. Вдоль внешней границы 19 этот слой был зашунтирован по всему периметру. В остальной части основной эмиттерный n⁺ -слой содержал равные количества шунтов первого и второго типа, как на фиг.1.

ЗВУ содержала вспомогательную тиристорную зону, имела площадь 0,6 см² и форму правильного шестиугольника, как на фиг.1. Граница основного эмиттерного n ⁺-слоя, обращенная в сторону ЗВУ, содержала 48 периферийных шунтов шириной 120 мкм и расстоянием между их центрами 600 мкм. Высота участков 13 основного эмиттерного n⁺ -слоя, выступающих из-под электрода катода, и расстояние от этих участков до ЗВУ были равны 200 мкм.

Были изготовлены также образцы тиристоров по прототипу, которые отличались от описанных лишь тем, что основной эмиттерный n⁺-слой содержал по всей площади только шунты первого типа.

Типичное значение сопротивления растекания базового р-слоя R _sp при 125°С было равно 40 Ом/ . Расчеты по методике, описанной в [3] (П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Н.Н.Крюкова и др. «Расчет силовых полупроводниковых приборов», М.: Энергия, 1980 г.), показали, что удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого типа R_э1=0,87 Ом·см ², а удельное эквивалентное сопротивление шунтов первого и второго типа R_э2=1,22 Ом·см ². Расчетное значение произведения R_рб ·S_зву было равно 1,19 Ом·см ².

Таким образом, для образцов по предлагаемому изобретению условие (1) выполнялось, а в образцах по прототипу эффективность точечной шунтировки основного эмиттерного n⁺ -слоя оказалась избыточной.

Всего было изготовлено по 10 образцов по предлагаемому изобретению и по прототипу. Повторяющиеся напряжения всех образцов были равны 2800 В. Испытания приборов показали, что все они имеют практически одинаковые значения (du _D/dt)_crit (в интервале 3000÷3200 В/мкс) и t_q (в интервале 140÷150 мкс). В то же время при токе 2500 А значения импульсного напряжения в открытом состоянии U_тм образцов по предлагаемому изобретению лежали в интервале 2,0÷2,16 В, а образцов по прототипу - в интервале 2,14÷2,3 В.

Таким образом, устранение избыточной эффективности точечной шунтировки основного эмиттерного n⁺-слоя образцов по прототипу привело к уменьшению U_тм в среднем на 0,14 В. Это обеспечивает экономию за весь срок службы примерно 5000 кВт/ч электроэнергии на один тиристор.

Источники информации

1. Патент США №4150390, кл. Н01L 29/74, публ. 17.04.1979 г.

2. Авторское свидетельство СССР №363410, кл. H01L 11/10, публ. 25.08.1976 г. (прототип).

3. П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Н.И.Крюкова и др. «Расчет силовых полупроводниковых приборов». - М.: Энергия, 1980 г.