запираемый тиристор и способ его работы

Формула изобретения

1. Запираемый тиристор, содержащий по меньшей мере один кремниевый чип, состоящий из множества электрически соединенных параллельно р⁺n'Np'n⁺ -ячеек, включающих управляющий эмиттерный переход, выполненный в виде p⁺n'-перехода в тонком n'-буферном слое, введенном в широкую N-базу, в которую введены электронные ловушки с концентрацией от 5·10¹⁰ до 5·10¹² см^-3 , энергетический уровень которых расположен в середине запрещенной зоны кремния, узкую p'-базу, коллекторный p'N-переход, выполненный путем диффузии с поверхностной концентрацией алюминия от 10¹⁶ до 10¹⁷ см ^-3 и расположенный на глубине от 50 до 120 мкм, и неуправляемый эмиттерный n⁺p'-переход.

2. Запираемый тиристор по п.1, в котором краевой контур выполнен в виде позитивной фаски.

3. Способ работы кремниевого p⁺ n'Np'n⁺запираемого тиристора, содержащий включение устройства путем пропускания в силовой цепи импульса перенапряжения в запорном для коллекторного p'N-перехода направлении со скоростью нарастания не менее 1,0 кВ/нс и выключение его пропусканием через управляющую цепь импульса тока в направлении, запорном для управляющего эмиттерного p⁺ n'-перехода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов, конкретно к кремниевым запираемым тиристорам, и может быть использовано для создания элементной базы преобразовательных устройств.

Полупроводниковые приборы, используемые в качестве ключевых элементов схем преобразовательных устройств, в общем случае, должны обладать следующими свойствами:

- блокировать заданное (как правило, высокое) напряжение в прямом и обратном направлении с пренебрежимо малыми токами утечки в выключенном состоянии;

- пропускать большие токи с минимальными коммутационными и статическими потерями;

- переключаться (включаться и выключаться) с максимально высокими скоростями.

Конструкцию, сочетающую в себе одновременно все вышеперечисленные признаки, в настоящее время создать практически невозможно, однако существует выбор определенных соотношений между перечисленными параметрами.

Полупроводниковые структуры кремниевых запираемых тиристоров обычно создаются путем термодиффузии в исходную пластину монокристаллического кремния через ее поверхности специальных примесей, создающих слои р-типа проводимости (введение бора и алюминия) и n-типа проводимости (введение фосфора). Граница между этими слоями, называемая pn- (или np-) переходом, имеет глубину залегания в пластине, отсчитываемую от той поверхности, через которую проводилась диффузия примеси.

Известен запираемый тиристор (ЗТ) на основе кремниевой структуры n⁺p'Nn'p ⁺-типа / A.Weber, N.Galster, E.Tsyplakov «A New Generation of Asymmetric and Reverse Conducting GTOs and their Snubber Diodes» PCIM97 Nurnberg, Power Conversion, June 1997 Proceedings/, содержащий n⁺p'-управляющий переход, где в широкую N-базу со стороны, противоположной узкой p'-базе, введен тонкий буферный n'-слой с повышенной концентрацией легирующей примеси (10¹⁶÷10¹⁸ ) см^-3. Этот слой ограничивает расширение области объемного заряда (ООЗ) коллекторного p'N-перехода с ростом блокируемого напряжения, что позволяет уменьшить толщину N-базы до величины, примерно равной ширине ООЗ коллекторного перехода при максимальном напряжении на приборе и соответственно уменьшить остаточное напряжение во включенном состоянии.

В невключенном состоянии внешнее напряжение (минус на n ⁺-эмиттере) в силовой цепи блокируется обратносмещенным коллекторным p'N-переходом. Для включения этого прибора в цепи управления пропускается импульс тока в проводящем направлении n⁺p'-перехода. Электроны, инжектируемые из n⁺-слоя, диффундируют через р -слой в область объемного заряда (ООЗ) обратносмещенного р N-перехода (коллектора), выбрасываются электрическим полем в квазинейтральную часть N-слоя, проходят диффузией n'-слой к р⁺N-переходу, понижают его потенциальный барьер и вызывают встречную инжекцию дырок из р ⁺-слоя, инициируя тем самым включение прибора. Для выключения этого прибора через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для n⁺p'-перехода (плюс на n⁺-слое). При этом прекращается инжекция электронов из n⁺-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из р'-слоя и приколлекторной части N-слоя, р'N-переход смещается в запорном направлении, и прибор выключается.

В этом устройстве высоки коммутационные потери, а рабочая частота - невысока, что является недостатком такой структуры.

Известен запираемый тиристор /патент Японии № 6061477/, взятый за прототип предлагаемого технического решения, также содержащий кремниевую n⁺p'Nn'p ⁺-структуру (в прототипе это обозначено как структура NpN ^-N⁺p-типа). Каждая тиристорная ячейка содержит управляющий n⁺р'-эмиттер (Np), расположенный в p'-базовом слое (р), коллекторный р'N-переход (pN^-) с буферным n'-слоем (N ⁺) в широкой N-базе (N^-) со стороны р⁺-эмиттера (р). Краевой контур выполнен в виде позитивной фаски, предохраняющей структуру от поверхностного пробоя при больших импульсных перенапряжениях. Нижний р ⁺-эмиттерный слой (р) окружен кольцевым N-слоем, который шунтирует эмиттерный слой. Благодаря этому ток поверхностной утечки коллекторного p'N-перехода (pN^- ) уходит в металлический контакт, не приводя к инжекции дырок из эмиттерного слоя. Это повышает рабочее напряжение и рабочую температуру прибора. Структура расположена на металлическом термокомпенсаторе.

Устройство работает таким образом.

Когда прибор выключен, внешнее напряжение (минус на N-эмиттере) в силовой цепи блокируется обратносмещенным коллекторным pN^--переходом. Для включения прибора в цепи управления пропускается импульс тока в проводящем направлении для Np-перехода. Электроны, инжектируемые из N-слоя, диффундируют через р-слой в область объемного заряда (ООЗ) обратносмещенного pN^--перехода (коллектора), выбрасываются электрическим полем в квазинейтральную часть N ^-N⁺-слоя, понижают потенциальный барьер эмиттерного pN⁺-перехода и вызывают встречную инжекцию дырок из р-слоя. Эти дырки диффундируют через N⁺-слой, затем в режиме биполярного дрейфа проходят квазинейтраль N-слоя и выбрасываются полем ООЗ в р-базу, вызывая встречную инжекцию электронов из N-слоя и т.д. Когда потери носителей из-за рекомбинации и ухода через потенциальные барьеры эмиттеров становятся меньше, чем поступление носителей в базовые слои вследствие инжекции, структура переходит в устойчивое проводящее состояние. В этом состоянии базовые слои р и N ^- заполнены хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой, и через прибор протекает силовой ток.

Для выключения устройства через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для Np-перехода (плюс на N-слое). При этом прекращается инжекция электронов из N-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из р-слоя и приколлекторной части N^- -слоя, pN^--переход смещается в запорном направлении, и ток через прибор резко уменьшается. Однако остающаяся в N^-N⁺-слое электронно-дырочная плазма является источником дырок, и через прибор протекает медленно спадающий «хвост» дырочного тока, который прекращается после рекомбинации всех избыточных электронов в N^- N⁺-слое. Время включения определяется длительностью диффузии электронов через р-базу и временем биполярного дрейфа электронно-дырочной плазмы через N^--базу, что в сумме составляет примерно (500÷700) наносекунд, а величина времени выключения определяется величиной времени жизни избыточных носителей в N^--базе и составляет (10÷15) микросекунд, при этом в течение значительного времени «хвост» дырочного тока протекает при нарастающем напряжении на приборе. Из-за этого коммутационные потери в приборе при выключении очень велики и поэтому предельная рабочая частота не превышает (5÷10) кГц.

Недостатками этой структуры являются большие коммутационные потери, и значит невысокая рабочая частота, т.к. в этом приборе элементарные ячейки управляющего Np-эмиттера расположены в р-базовом слое, вследствие чего характер протекания процессов включения и выключения приводит к их большой длительности.

Группа изобретений - устройство и способ его работы, объединенная единым изобретательским замыслом, позволяет решить задачу увеличения рабочей частоты запираемого тиристора за счет уменьшения коммутационных потерь вследствие сокращения времени его включения и выключения.

Задача решается запираемым тиристором, содержащим по-меньшей мере один кремниевый чип, состоящий из множества электрически соединенных параллельно p⁺n'Np'n ⁺-ячеек, включающих управляющий эмиттерный переход, выполненный в виде р⁺n'-перехода в тонком n'-буферном слое, введенном в широкую N-базу, в которую введены электронные ловушки с концентрацией (5·10¹⁰÷5·10 ¹²) см^-3, энергетический уровень которых расположен в середине запрещенной зоны кремния, узкую p'-базу, коллекторный p'N-переход, выполненный путем диффузии с поверхностной концентрацией алюминия (10 ¹⁶÷10¹⁷) см^-3 и расположенный на глубине (50÷120) мкм, и неуправляемый эмиттерный n⁺p'-переход.

В запираемом тиристоре краевой контур может быть выполнен в виде позитивной фаски.

Задача решается также способом работы p ⁺n'Np'n⁺-запираемого кремниевого тиристора, содержащим включение устройства путем пропускания в силовой цепи импульса перенапряжения в запорном для коллекторного p'N-перехода направлении со скоростью нарастания не менее 1.0 кВ/нс и выключение его пропусканием через управляющую цепь импульса тока в направлении, запорном для управляющего эмиттерного р⁺n'-перехода.

Изобретение как устройство обеспечивает новый характер процессов перемещения носителей в предлагаемом устройстве при его включении и выключении, что обусловлено новой р⁺n'Np'n ⁺-структурой с расположением управляющего эмиттерного р ⁺n'-перехода в n'-буферном слое, определенным выполнением и расположением коллекторного р'N-перехода и наличием электронных ловушек (атомов глубоких примесей или дефектов, способных захватить электрон / Sah С.Т., Noyce R.N., Shockly W.Carrier Generation and Recombination in pn junction characteristics Proc. IRE, 45, p.1228 (1975)/) с определенной концентрацией и энергией, в N-слое, что позволяет существенно снизить коммутационные потери и увеличить рабочую частоту запираемого тиристора.

Краевой контур структуры может быть выполнен в виде позитивной фаски, что предохраняет структуру от поверхностного пробоя при больших импульсных перенапряжениях.

Изобретение как способ работы предлагаемого устройства, который содержит включение его путем пропускания в силовой цепи импульса перенапряжения (т.е. напряжения, превышающего пробивное напряжение коллекторного перехода, измеренное в условиях медленного повышения напряжения) в запорном для коллекторного p'N-перехода направлении, со скоростью нарастания не менее 1.0 кВ/нс (10 ¹² В/с), обеспечивает возможность туннельно-термической ионизации глубоких электронных ловушек и формирования ударно-ионизационного фронта, имеющего более высокую скорость движения, чем скорость движения электронов в кремнии, что приводит к существенному уменьшению времени включения и, следовательно, к уменьшению коммутационных потерь в приборе, а при выключении обеспечивается возможность вывода импульсом тока управления электронно-дырочной плазмы из n'-слоя, введенного в N-слой, и затем из N-слоя, что приводит к резкому (быстрому) выключению тока и также к уменьшению коммутационных потерь.

Минимальная глубина расположения коллекторного p'N-перехода от поверхности кремниевой пластины, через которую производится диффузия Al (50 мкм), и максимальная поверхностная концентрация алюминия (10¹⁷ см ^-3), как показали эксперименты, определяются максимально допустимой величиной градиента концентрации примеси, выше которой запуск ударно-ионизационного фронта становится невозможным. Минимально допустимая концентрация алюминия (10¹⁶ см^-3) обусловлена тем, что ниже этой концентрации фронт диффузии имеет резкие изломы, что приводит к снижению предельной величины блокируемого напряжения из-за резкого искажения поля на неоднородностях границы. Максимальная глубина p'N-перехода (120 мкм) ограничивается приемлемой длительностью технологического процесса диффузии (не более суток).

Расположение энергетического уровня электронных ловушек в середине запрещенной зоны кремния обусловлено требованием обеспечения достаточно высокой концентрации захваченных на ловушки электронов в рабочем диапазоне температур кремниевых приборов (-40÷+70)°С, что необходимо для однородного по площади возбуждения ударно-ионизационного фронта.

Диапазон допустимых концентраций глубоких электронных ловушек был определен экспериментально. При их концентрации <5·10 ¹⁰ см^-3 вместо однородного по площади ионизационного фронта возбуждалось ограниченное число узких стриммерных каналов, и допустимая амплитуда коммутируемого тока резко уменьшалась, а при концентрации >5·10¹² см ^-3 возникал обычный лавинный пробой, и скорость включения резко уменьшалась.

При предлагаемом выполнении коллекторного p'N-перехода для включения прибора необходимо подать быстро нарастающий импульс (скорость не менее 1.0 кВ/нс=1·10 ¹² В/с) перенапряжения в силовой цепи в направлении, запорном для этого перехода. В этом случае напряженность поля у p'N-перехода через некоторое время существенно превышает критическое поле лавинного пробоя в статических условиях Е_в 2·10⁵ B/см, однако пробоя не происходит из-за того, что в области сильного поля нет свободных носителей, которые могли бы произвести ионизацию. Когда поле достигает величины (4÷5)·10⁵ B/см, начинается туннельно-термическая ионизация глубоких ловушек. Освобождающиеся с них электроны оказываются в сверхкритическом поле и вызывают ударную ионизацию кремния, образуя электронно-дырочную плазму с высокой концентрацией. Поле в окрестности p'N-перехода падает, но возрастает в прилегающей области N-базы, где начинается туннельно-термическая ионизация ловушек и т.д. Сформировавшийся таким образом ударно-ионизационный фронт движется от p'N-перехода в сторону n'-слоя, вся N-база оказывается заполненной электронно-дырочной плазмой, и прибор переходит в проводящее состояние. Скорость движения фронта определяется в основном величиной сверхкритического поля и обычно в 4÷5 раз превышает предельно возможную (насыщенную) скорость движения электронов в кремнии V_S 10⁷ см/с. Поэтому время включения прибора составляет десятые доли наносекунды, за это время напряжение на приборе падает от (2÷3) кВ до примерно 50 В, а ток возрастает почти до номинальной величины, после чего дальнейший спад напряжения обеспечивается увеличением концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых слоях за счет инжекции электронов и дырок прямосмещенными n⁺p'- и р⁺n'-эмиттерами (процесс включения продолжается по обычному тиристорному механизму). Поскольку основная часть процесса протекает за доли наносекунды, коммутационные потери в приборе в несколько десятков раз меньше, чем при способе включения аналогов и прототипа (типичном способе включения запираемых тиристоров), что обеспечивает уменьшение коммутационных потерь и, как следствие, увеличение рабочей частоты тиристора.

Для выключения прибора через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для управляющего р⁺n'-перехода, причем в этом приборе минус прикладывается к р⁺-слою. При этом прерывается инжекция дырок из p⁺-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из n'-слоя, и затем из N-слоя. Ток через n⁺p'-переход продолжает протекать до тех пор, пока вся электронно-дырочная плазма не будет удалена импульсом тока управления, после чего р'N-коллекторный переход переходит в запертое состояние, и прибор резко выключается практически без «хвоста» тока. Этот процесс принципиально отличается от процесса выключения приборов с управляющим эмиттерным переходом, расположенным в тонкой p'-базе, тем, что возрастает задержка выключения, но сокращается длительность спада тока и нарастания напряжения на приборе, что приводит к резкому (в десятки раз) уменьшению коммутационных потерь при выключении (при меньшем напряжении потери меньше).

Таким образом, в запираемом кремниевом тиристоре с предлагаемой конструкцией р ⁺n'Np'n⁺-структуры коммутационные потери при включении и выключении сокращаются в десятки раз, что позволяет увеличить рабочую частоту мощных запираемых тиристоров вплоть до мегагерцевого диапазона.

Структура запираемого тиристора схематически изображена на чертеже,

где

1 - управляющий р⁺-эмиттер;

2 - буферный n'-слой;

3 - широкий базовый N-слой;

4 - узкий базовый p'-слой;

5 - неуправляемый n ⁺-эмиттер;

6 - металлический термокомпенсатор.

Устройство содержит последовательно расположенные секционированный эмиттерный слой р-типа проводимости 1, буферный n'-слой n-типа проводимости 2, широкий базовый N-слой n-типа проводимости 3, узкий базовый p'-слой р-типа проводимости 4, эмиттерный высоколегированный слой n-типа проводимости 5 и металлический термокомпенсатор 6.

Устройство работает следующим образом.

Для запуска к прибору (в силовой цепи АВ) прикладывается быстро нарастающий импульс перенапряжения (скорость не менее 1.0 кВ/нс) в направлении, запорном для коллекторного p'N-перехода. Прибор переходит в проводящее состояние, через него протекает силовой ток при малом остаточном напряжении. Выключение прибора осуществляется через управляющую цепь АС, в которой пропускают импульс тока в направлении, запорном для р⁺n'-перехода (в приборе прикладывается минус к р⁺-слою). Прибор переходит в выключенное состояние, блокируя напряжение силовой цепи.

Пример 1.

Согласно предлагаемому изобретению (см. чертеж) была изготовлена кремниевая p⁺ n'Np'n⁺-структура, размещенная на термокомпенсаторе 6, со следующими геометрическими и электрофизическими параметрами слоев. Коллекторный p'N-переход был изготовлен диффузией алюминия с поверхностной концентрацией N _A=7·10¹⁶ см^-3 на глубину 70 мкм в исходную пластину из кремния n-типа с удельным сопротивлением 50 Ом·см и толщиной 280 мкм, буферный n'-слой 2 был изготовлен диффузией фосфора с поверхностной концентрацией 1·10¹⁸ см^-3 на глубину 10 мкм, р⁺- и n ⁺-эмиттеры 1 и 5 были изготовлены диффузией на глубину ˜2 мкм бора и фосфора с поверхностной концентрацией ˜10 ²⁰ см^-3. Концентрация электронных ловушек составляла N_л˜1·10 ¹² см^-3. Блокируемое напряжение составляло 1.9 кВ, остаточное напряжение во включенном состоянии ˜1.3 В при плотности прямого тока 200 А/см². Ширина элементарной ячейки управляющего р⁺ n'-эмиттера была ˜10 мкм. На приборе с диаметром рабочей части пластины 0.7 см размещалось 2·10⁴ ячеек. Для запуска в силовой цепи АВ прикладывали импульс перенапряжения, нарастающий со скоростью 1.2 кВ/нс. За 2 нс напряжение на приборе нарастало до ˜2.8кВ, и затем в течение 0.15 нс спадало до ˜50 В, а затем в течение 200 нс уменьшалось до 2 В при токе 80 А. Выключение прибора осуществлялось пропусканием через управляющий эмиттерный р⁺n'-переход (в цепи АС) импульса тока с амплитудой 5 А, временем нарастания 20 нс и длительностью 1 мкс. При этом задержка выключения прибора составляла 100 нс, быстрый участок спада ˜200 нс и «хвост» спада тока ˜300 нс. Предельная рабочая частота при принудительном воздушном охлаждении была ˜0.7 МГц, что более чем на порядок превышает рабочую частоту прототипа.

Пример 2.

Была изготовлена кремниевая p⁺n'Np'n⁺ -структура, размещенная на термокомпенсаторе 6, со следующими геометрическими и электрофизическими параметрами слоев. Коллекторный p'N-переход был изготовлен диффузией алюминия с поверхностной концентрацией N_A=3·10 ¹⁶ см^-3 на глубину 100 мкм в исходную пластину из кремния n-типа с удельным сопротивлением 100 Ом·см и толщиной 350 мкм, n'-слой 2 был изготовлен диффузией фосфора с поверхностной концентрацией 7·10 ¹⁶ см^-3 на глубину 18 мкм, р ⁺- и n⁺-эмиттеры 1 и 5 были изготовлены диффузией бора и фосфора на глубину 4 мкм с поверхностной концентрацией ˜7·10¹⁹ см^-3 . Концентрация электронных ловушек составляла N _Л˜1·10¹¹ см ^-3. Блокируемое напряжение было ˜3.0 кВ, остаточное напряжение во включенном состоянии ˜1.5 В при плотности прямого тока 100 А/см². Ширина элементарной ячейки р⁺n'-эмиттера была ˜10 мкм. На приборе с диаметром рабочей части пластины 1.0 см размещалось 4·10⁴ ячеек. К прибору было приложено постоянное напряжение ˜2 кВ, а потом подавали импульс перенапряжения, нарастающий со скоростью 1.2 кВ/нс. За 2.5 нс напряжение на приборе нарастало до 4.5 кВ, затем в течение 0.25 нс спадало до ˜70 В, и затем в течение 300 нс уменьшалось до 2.5 В при токе 100 А. Выключение прибора осуществлялось пропусканием через управляющий эмиттерный р⁺n'-переход импульса тока с амплитудой 5 А, временем нарастания 20 нс и длительностью 1 мкс. Задержка выключения составляла 200 нс, «хвост» - ˜500 нс. Предельная частота в тех же условиях, что и в примере 1, составляла 350 кГц.

Для проверки допустимых диапазонов изменения конструктивных параметров заявляемого устройства и способа его работы были выполнены следующие эксперименты.

Изготовлены и испытаны структуры, аналогичные описанной в Примере 1, с изменениями, соответствующими границам диапазонов параметров и их заграничным величинам.

Пример 3.

Поверхностная концентрация алюминия изменялась в следующем диапазоне: N_A=5·10¹⁵, 1·10 ¹⁶, 1·10¹⁷, 1·10 ¹⁸ см^-3. При N_A =5·10¹⁵ см^-3 p'N-переход имел резко неоднородный фронт, блокируемое напряжение 570 В (при расчетном значении 1.9 кВ) и большой ток утечки. Приборы с N_A=1·10¹⁶ и N_A=1·10¹⁷ см^-3 имели блокируемое напряжение, соответствующее расчетному, а прибор с N_A=1·10 ¹⁸ см^-3 не включался вообще. Таким образом, рабочим диапазоном является (10¹⁶ N_A 10¹⁷) см^-3.

Пример 4.

Концентрация электронных ловушек N _Л в N-слое была 2·10¹⁰, 5·10 ¹⁰, 5·10¹² и 8·10 ¹² см^-3. При N_л =5·10¹⁰ см^-3 и 5·10¹² см^-3 включение при приложении импульса перенапряжения происходило за время <1 нс, при N_Л=2·10 ¹⁰ см^-3 прибор необратимо пробился при включении (вероятно, из-за примерного характера включения), а при N_Л=8·10¹² см^-3 включение происходило при напряжении, равном статическому напряжению, причем время переключения было ˜0.7 микросекунды. Таким образом, рабочим диапазоном концентраций ловушек является (5·10¹⁰ N_Л 5·10¹²) см^-3 .

Пример 5.

Исследованы структуры, аналогичные описанной в примере 1, но с глубиной p'N-перехода 120, 50, 20 мкм. При глубине 120 мкм и 50 мкм происходило нормальное включение прибора за время ˜2 нс, а при глубине 20 мкм это время возрастало до ˜1 мкс, и приборы выходили из строя после нескольких включений. Поскольку глубина залегания более 120 мкм неприемлема из технологических соображений (процесс диффузии протекает в течение нескольких суток), рабочий диапазон глубины p'N-перехода лежит в пределах от 120 до 50 мкм.

Пример 6.

На структурах, аналогичных описанной в примере 1, исследовалось включение при различной скорости нарастания перенапряжения (du/dt). При du/dt=1 кВ/нс время быстрого участка включения было 0.2 нс, при 2 кВ/нс оно составляло 0.1 нс (предел разрешения установки), при 0.7 кВ/нс - ˜2 нс, а при 0.5 кВ/нс - 20 нс. Таким образом, для быстрого переключения с малыми коммутационными потерями необходимо иметь du/dt 1 кВ/нс.