Патент на изобретение №2297075

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С САМОЗАЩИТОЙ ОТ ПРОБОЯ В ПЕРИОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАПИРАЮЩИХ СВОЙСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, а именно к конструкции тиристоров, в том числе фототиристоров. Техническим результатом изобретения является устранение неопределенности при проектировании прибора в отношении конкретных значений времени жизни неравновесных носителей заряда в базовых n-слоях дискретных тиристорных зон и основной тиристорной зоны, а также размеров дискретных тиристорных зон и их количества, повышение надежности прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств с одновременным сохранением нагрузочной способности. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон и в пределах основной тиристорной зоны выбирают из определенных условий. 2 ил.

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, а именно к конструкции 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 полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [1] (F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schuize, U.Kellner-Werdehausen. Self-protected high-power thyristors. – Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56), содержащая четырехслойную структуру, в которой время жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое _ннз [мкс] в области основной тиристорной зоны (ОТЗ) меньше, чем в области зоны управления, включающей в себя область фотоокна и концентричные с ним вспомогательные тиристорные зоны (ВТЗ), количество которых равно четырем.

Эмиттерный р⁺-слой содержит под фотоокном островки n-типа электропроводности, созданные имплантацией фосфора. В базовый р-слой между катодными эмиттерами второй и третьей ВТЗ встроен резистор (нумерация ВТЗ начинается от фотоокна, расположенного в центре структуры).

Вследствие более высокого значения _ннз в базовом n-слое в области зоны управления неравновесная концентрация носителей заряда в этой зоне в период восстановления запирающих свойств при выключении прибора убывает медленнее, чем в области ОТЗ. В случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств ток, обусловленный указанной неравновесной концентрацией носителей заряда, воздействует на ВТЗ как внешний ток управления и переключает их. Токи ВТЗ переключает затем ОТЗ.

Транзистор n-р-n-типа, образованный островками n-типа электропроводности в эмиттерном р⁺-слое под фотоокном совместно с этим р⁺-слоем и n-базой, усиливает ток, обусловленный неравновесной концентрацией носителей заряда под фотоокном. Это способствует первоначальному переключению ВТЗ, смежной с фотоокном. Затем поочередно включаются остальные ВТЗ по мере их удаленности от фотоокна. Резистор, встроенный в базовый р-слой, ограничивает токи через первую и вторую ВТЗ.

Недостатками такой конструкции являются:

– высокая сложность ее реализации, обусловленная необходимостью создания резистора, встроенного в базовый p-слой, и островков n-типа электропроводности в эмиттерном р⁺-слое;

– необходимость точной дозировки концентрации фосфора в островках n-типа электропроводности в эмиттерном р⁺-слое с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить первоначальное переключение ВТЗ, смежной с фотоокном, а, с другой стороны, исключить возможное переключение прибора в обратном направлении подобно симметричному тиристору из-за наличия указанных островков n-типа электропроводности;

– отсутствие рекомендованного соотношения между значениями _ннз в базовом n-слое в области ОТЗ и зоны управления.

Самое близкое решение [2] (Патент Великобритании № 2207552, кл. H01L 29/74, публ. 01.02.1989 г.) относится к конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда _ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления.

Зона внешнего управления (ЗВУ) в данном случае представляет собой трехслойную p-n-p-область с расположенным на ней управляющим электродом. Прибор может содержать только одну дискретную тиристорную зону (ДТЗ), однако предпочтительно, чтобы таких зон было несколько. Значение _ннз в базовом n-слое в пределах ДТЗ может примерно в 2 раза и более превышать его значение в базовом n-слое в пределах основной тиристорной зоны (ОТЗ). В пределах промежуточной зоны между ДТЗ и ОТЗ значение _ннз в базовом n-слое такое же, как и в пределах ДТЗ. Расстояние между ДТЗ и ОТЗ (ширина промежуточной зоны) равно примерно четырем диффузионным длинам носителей заряда в базовом n-слое в пределах ДТЗ. В промежуточном слое между ДТЗ и ОТЗ могут быть встроены вспомогательная тиристорная зона (ВТЗ) и ограничительные (балластные) резисторы.

Назовем для краткости участки базового n-слоя в пределах ОТЗ и ДТЗ просто базовыми n-слоями ОТЗ и ДТЗ. В открытом состоянии прибора неравновесные (избыточные) носители заряда диффундируют из базового n-слоя ОТЗ в базовые n-слои ДТЗ. После прекращения протекания тока в период восстановления запирающих свойств прибора, как и в предыдущем случае, избыточные носители заряда в базовых n-слоях ДТЗ вследствие более высокого значения _ннз убывают медленнее, чем в базовом n-слое ОТЗ. В случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств токи, обусловленные избыточными носителями заряда, в первую очередь переключают ДТЗ. Затем токи ДТЗ переключают ОТЗ.

Недостатками рассмотренной конструкции являются:

– Неопределенность при проектировании прибора из-за отсутствия рекомендаций по выбору конкретных значений _ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ и по выбору конкретных размеров ДТЗ и их количества. Рекомендуемая относительная разница значений _ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ в 2 раза и более при некорректном выборе конкретных значений _ннз может привести к недопустимому увеличению времени выключения приборов t_q [мкс] или импульсного напряжения в открытом состоянии U_тм [В].

– Снижение надежности вследствие возможного первоначального переключения ОТЗ в случае приложения к тиристору импульса прямого напряжения до завершения процесса восстановления его запирающих свойств. Такая ситуация может реализоваться, например, при малых плотностях тока через ОТЗ в открытом состоянии и/или низких скоростях его спада в процессе коммутации, когда уменьшается доля избыточного заряда, диффундирующего из базового n-слоя ОТЗ в базовые n-слои ДТЗ. Эта же ситуация может реализоваться при повышении температуры прибора вследствие увеличения сопротивления встроенных резисторов. Первоначальное переключение ОТЗ наблюдалось, например, при 90°С в работе [3] (Р.А.Mawby, M.S.Towers. Modelling of self-protected light-triggered thyristors. – IEE Proc. – Circuits Devices Syst., 2001, v.148, № 2, р.55-63), в которой исследовались приборы аналогичной конструкции.

– Снижение нагрузочной способности прибора из-за уменьшения площади ОТЗ с увеличением количества ДТЗ.

Техническим результатом предлагаемого решения являются устранение неопределенности при проектировании прибора в отношении конкретных значений _ннз в базовых n-слоях ДТЗ и ОТЗ, а также размеров ДТЗ и их количества, повышение надежности работы прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств с одновременным сохранением нагрузочной способности.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие между электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда _ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон _ннзо [мкс] и в пределах основной тиристорной зоны _ннзо [мкс] выбирают из условий:

где t_q [мкс] – время выключения прибора,

а минимальные L_дmin [см] и максимальные L_дmax [см] линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон, распределенных по площади основной тиристорной зоны, и их количество N_дтз [шт.] выбирают из условий:

где L_ннзд [см] – диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон,

S_пв [см²] – площадь первоначального включения основной тиристорной зоны через зону внешнего управления,

S_дтзi [см²] – площадь i-той дискретной тиристорной зоны.

Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются:

1. Дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон.

2. Значения времени жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон _ннзд и в пределах основной тиристорной зоны Т_ннзо удовлетворяют условиям (1), (2).

3. Минимальные L_дmin и максимальные L_дmax линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон и их количество N_дтз удовлетворяют условиям (3), (4).

Известных технических решений с такой совокупностью признаков не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что условия (1)-(4) устраняют неопределенность при проектировании приборов. При этом условия (1), (2) обеспечивают выполнение требований к прибору по времени выключения t_q и импульсному напряжению в открытом состоянии U_TM и позволяют сохранить разницу в плотностях тока в открытом состоянии через ДТЗ и ОТЗ в пределах не более 12%. Условия (3), (4) позволяют сохранить гарантию первоначального включения ДТЗ, совместно с условиями (1), (2) предотвращают чрезмерный нагрев ДТЗ и в случае переключения при неполном восстановлении запирающих свойств обеспечивают прибору способность выдержать все режимы работы, на которые он рассчитан, при включении через зону внешнего управления.

Повышенная надежность прибора по сравнению с прототипом обусловлена тем, что первоначальное переключение при неполном восстановлении запирающих свойств происходит в области ДТЗ при любых, в т.ч. и малых плотностях тока через ОТЗ в открытом состоянии и низких скоростях его спада в процессе коммутации, а также при любой температуре структуры. Кроме того, в работе прибора в открытом состоянии наряду с ОТЗ активно участвуют и все ДТЗ, что позволяет независимо от количества ДТЗ сохранить нагрузочную способность прибора.

На фиг.1 изображен полупроводниковый прибор (тиристор) предложенной конструкции с шестнадцатью дискретными тиристорными зонами круглой формы, 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.

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 дискретные тиристорные зоны 10, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда _ннз в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления (ЗВУ) (фиг.2). Электрод анода является общим для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, содержащей со стороны главной поверхности 3 вспомогательный эмиттерный n-слой 11, управляющий электрод 12 и электрод 13. Дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода 9 с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон (фиг.1, 2).

Вспомогательный эмиттерный n-слой 11 совместно с эмиттерным р-слоем 4, базовым n-слоем 5 и базовым р-слоем 6 образует вспомогательную тиристорную зону (ВТЗ). Электрод 13 шунтирует границу вспомогательного эмиттерного n-слоя со стороны ОТЗ и служит одновременно управляющим электродом ОТЗ.

Шунты основного эмиттерного n-слоя 7, обеспечивающие температурную стабильность напряжения переключения и высокие критические скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, на чертежах не показаны.

Зона внешнего управления может содержать две и более вспомогательных тиристорных зон, а вместо управляющего электрода 12 – 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.

Время жизни неравновесных носителей заряда _ннз в базовом n-слое в пределах ЗВУ может быть равным времени жизни в базовом n-слое в пределах ОТЗ (_ннзо) или равным:

– времени жизни в базовом n-слое в пределах ДТЗ (_ннзд), как у прототипа;

– _ннзд только в p-n-р-области под управляющим электродом 12, простирающейся до внутренней границы вспомогательного эмиттерного n-слоя 11, и _ннзо вне этой области, как в патенте США № 4165517, кл. Н01L 29/74, публ. 21.08.1979 г. [4].

При этом во всех случаях между ВТЗ и ОТЗ может быть встроен балластный резистор, как это предложено в прототипе и упомянутом патенте [4].

При работе прибора в случае его переключения при неполном восстановлении запирающих свойств первоначальное включение всегда происходит в области дискретных тиристорных зон. Объясняется это следующим.

Для каждого прибора, как правило, оговорено максимально допустимое или типичное значение времени выключения t_q. Значение t_q в предлагаемой конструкции прибора определяется значением _ннзд. Коэффициент пропорциональности между _ннзд и t_q зависит от множества факторов, в частности от толщины кремниевой структуры и плотности шунтов катодного эмиттерного n⁺-слоя, и для большинства современных приборов лежит в интервале 0,15÷0,35 с наиболее вероятным значением в интервале 0,2÷0,25. Поэтому значение _ннзд выбирают из условия (1).

Так как ОТЗ и ДТЗ имеют общие электроды анода и катода (соединены глухо в параллель), импульсное напряжение в открытом состоянии на них одинаково и равно U_TM. Заданное значение U_TM и выбранное значение _ннзд определяют величину плотности тока через ДТЗ в открытом состоянии J_тмд [А/см²]. Известно, что при заданном значении U_TM плотность тока в открытом состоянии тем ниже, чем меньше _ннз. Поскольку по условию (2) _ннзо меньше _ннзд, то плотность тока в открытом состоянии через ОТЗ J_TMO [А/см²] также меньше J_тмд. Вследствие этого концентрация избыточных носителей заряда в открытом состоянии в базовом n-слое в пределах ДТЗ выше, чем в пределах ОТЗ, и в период восстановления запирающих свойств прибора убывает медленнее. Поэтому в случае приложения к прибору импульса прямого напряжения в период восстановления запирающих свойств его переключение первоначально происходит в области ДТЗ.

Ограничение значений _ннзо сверху величиной 0,8_ннзд гарантирует первоначальное переключение прибора в области ДТЗ. Ограничение же снизу величиной 0,6_ннзд позволяет обеспечить значения J_TMO на уровне не ниже 0,9J_тмд т.е. сохранить высокую нагрузочную способность прибора в открытом состоянии.

Ограничение минимальных линейных размеров сечений ДТЗ L_дmin снизу по условию (3) величиной 4L_ннзд предотвращает чрезмерную диффузию избыточных носителей заряда в приграничные области ОТЗ, где они рекомбинируют быстрее. Тем самым сохраняется гарантия первоначального включения ДТЗ. С другой стороны, при максимальных линейных размерах сечений ДТЗ L_дmax свыше 12L_ннзд существенно ухудшается теплоотвод от центральных участков ДТЗ в приграничные области ОТЗ, что может привести к снижению нагрузочной способности прибора в открытом состоянии из-за нагрева ДТЗ.

ДТЗ в сечении (в плане) могут иметь разные формы и площади. Предпочтительными являются ДТЗ, имеющие в плане круглую, а также квадратную и правильную шестиугольную форму. Назовем их для краткости ДТЗ, соответственно, круглой, квадратной и правильной шестиугольной формы. В случае ДТЗ круглой формы L_дmin=L_дmax=D_дтзi, где D_дтзi [см], – диаметр i-той дискретной тиристорной зоны, и условие (3) принимает вид: 4L_ннздD_дтзi12L_ннзд. Площадь i-той ДТЗ S_дтзi [см²] равна при этом 0,25D_дтзi ².

В случае ДТЗ квадратной формы целесообразно принять, что L_дmin=b_дтзi, а L_дmax=d_дтзi;, где b_дтзi [см] – сторона, a d_дтзi [см] – диагональ квадратного сечения i – той дискретной тиристорной зоны. Тогда, учитывая, что условие (3) принимает вид 4L_ннздb_дтзi8,5 L_ннзд. Площадь i – той ДТЗ S_дтзi равна при этом b_дтзi ².

При правильной шестиугольной форме ДТЗ следует принять, что L_дmin=D_впi, а L_дmax=D_опi, где D_впi [см] – диаметр вписанной, a D_опi [см] – диаметр описанной окружности шестиугольного сечения i-той дискретной тиристорной зоны. Тогда, учитывая, что а D_oni=2c_дтзi, где c_дтзi [см] – сторона правильного шестиугольного сечения i-той дискретной тиристорной зоны, условие (3) принимает вид 2,3 L_ннздс_дтзi6 L_ннзд. Площадь i-той ДТЗ S_дтзi равна при этом 2,6c_дтзi ².

Обозначим через S_дтзс [см²] суммарную площадь всех ДТЗ прибора. В общем случае

Если все ДТЗ имеют одинаковую площадь, равную S_дтз [см²], то S_дтзс=N_дтз·S_дтз. Обозначим также через N_дтзкр [шт.] критическое значение N_дтз, при котором отношение S_дтзс/S_пв равно 1. Условие (4) можно представить теперь в виде 1,2N_дтзкрN_дтз3Т_дтзкр. Равенство N_дтзкр означает, что только при первоначальном переключении всех ДТЗ их суммарная включенная площадь будет равна S_пв и, следовательно, прибор выдержит все режимы работы, на которые рассчитан при включении через зону внешнего управления. Но вероятность такого события равна 1 только при полной идентичности параметров всех ДТЗ, что нереально. Увеличение количества ДТЗ сверх критического значения N_дтз повышает вероятность того, что суммарная площадь всех включенных ДТЗ достигнет или даже превысит S_пв. Поэтому значение N_дтз ограничено снизу величиной 1,2·N_дтзкр. Однако с увеличением N_дтз количество ДТЗ, которые переключаются одновременно при неполном восстановлении запирающих свойств, из-за разброса их параметров сначала стремится к насыщению, а затем может резко уменьшиться. Поэтому наибольшее количество ДТЗ ограничено значением 3N_дтзкр.

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 11 эмиттерные n-слои формировали селективной диффузией фосфора. Диаметры шунтов основного эмиттерного n-слоя 7 были равны 120 мкм, а расстояние между центрами соседних шунтов составляло 600 мкм. Электрод анода 8 создавали сплавлением кремниевых структур с термокомпенсаторами, а электрод катода 9 и электрод 13 – напылением алюминия.

ДТЗ 10 (фиг.1, 2) имели круглую форму и одинаковые диаметры D_дтз, равные 0,14 см. ДТЗ в зоне внешнего управления не были предусмотрены. Внутренний D_1OТЗ [см] и внешний В_2ОТЗ [см] диаметры ОТЗ (основного эмиттерного n-слоя 7) были равны соответственно 1 и 4, 8 см. Были изготовлены 60 приборов шести вариантов (по 10 приборов каждого варианта), отличающихся количеством ДТЗ. Для варианта I количество ДТЗ было равно 6, а для последующих вариантов – соответственно 10, 16, 20, 25 и 30 шт. На фиг.1 изображен вид сверху приборов варианта III, когда N_дтз=16 шт.

Значения _ннзд и _ннзо регулировались двукратным облучением электронами. После первого облучения приборов электронами по всей площади значения _ннз снижались до уровня _ннзд=25 мкс. Второе облучение приборов электронами также производилось по всей площади за исключением ДТЗ. При этом значения _ннз по всей площади за исключением ДТЗ снижались до уровня _ннзо=18 мкс. Значение _ннз в базовом n-слое 5 в пределах зоны внешнего управления, таким образом, было равно _ннзо.

Указанные значения _ннзд, _ннзо, D_дтз и N_дтз были выбраны следующим образом. Типичное значение t_qtyp [мкс] времени выключения t_q для тиристоров данного типа было равно 125 мкс, причем разброс фактических значений t_q достигал ±25 мкс. Таким образом, требование к тиристорам данного типа по максимально допустимому значению времени выключения t_q (не более 160 мкс) было выполнено. Коэффициент пропорциональности между _ннзд и t_qtyp находился в интервале 0,2÷0,25. Расчетное значение _ннзд определялось исходя из наименьшего значения этого коэффициента, поскольку при этом гарантированно выполнялось требование по максимально допустимому значению времени выключения, и составляло 25 мкс.

Максимально допустимое значение U_TM для приборов данного типа равно 2,1 В, а типичное значение – 1,9 В. Для гарантированного выполнения этого требования было принято, что расчетное значение U_TM должно быть равно типичному, т.е. 1,9 В. Расчеты U_TM при различных плотностях тока проводили с учетом всех нелинейных эффектов по модели, приведенной в книге [5] (В.П.Григоренко, П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Т.Т.Мнацаканов. Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов. – М.: Энергоатомиздат, 1988 г.). Расчеты показали, что J_тмд=160 А/см² при _ннзд=25 мкс и U_TM=1,9В, а значения J_TMO сохраняются на уровне не ниже 0,9J_тмд при значениях _ннзо вплоть до 18 мкс. Таким образом, было принято, что _ннзо=0,72 _ннзд=18 мкс, и условие (2) выполнялось.

Значение L_ннзд рассчитывалось по формуле: L_ннзд=(SD_{ннзннзд})^0,5, где D_ннз [см²/с] – коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в кремнии. Было принято, что значение L_ннзд равно среднему из значений, рассчитанных при низких и высоких уровнях инжекции, а D_дтз=7·L_ннзд=0,14 см. Таким образом было получено, что L_ннзд=0,0196 см0,02 см. Площадь S_дтз одной ДТЗ была равна при этом 0,0154 см².

Площадь первоначального включения ОТЗ через зону внешнего управления S_пв была рассчитана по формуле: S_пв=·D_1OТЗ·r₀, где r₀ – ширина области первоначального включения ОТЗ в радиальном направлении. Расчеты по модели, описанной в книге [6] (П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, П.Н.Крюкова и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов. – М.: Энергия, 1980 г.), показали, что для данного прибора r₀0,04 см и, следовательно, S_пв0,126 см. Расчетное количество ДТЗ в соответствии с условием (4) лежало при этом в интервале от 10 до 25 шт. С целью подтверждения целесообразности выбора количества ДТЗ из этого интервала и были изготовлены 6 вариантов прибора, из которых варианты I и VI не удовлетворяли условию (4), так как количество ДТЗ в них было равно соответственно 6 и 30 шт.

Переключение приборов при неполном восстановлении запирающих свойств осуществлялось в режиме:

Испытания приборов привели к следующим результатам. Из 10 приборов варианта I вышли из строя 6 шт., а из 10 приборов варианта VI-4 шт. Ни один прибор вариантов II-V, количество ДТЗ в которых удовлетворяло условию (4), не вышел из строя.

Источники информации

1. F.-J.Niedemostheide, H.-J.Schuize, U.Kellner-Werdehausen. Self-protected high-power thyristors. – Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56.

2. Патент Великобритании № 2207552, кл. H01L 29/74, публ. 01.02.1989 г. (прототип).

3. Р.А.Mawby, M.S.Towers. Modelling of self-protected light-triggered thyristors. – IEE Proc. – Circuits Devices Syst, 2001, v.148, №2, p.55-63.

4. Патент США № 4165517, кл. H01L 29/74, публ. 21.08.1979 г.

5. В.П.Григоренко, П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Т.Т.Мнацаканов Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов”. – М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

6. П.Г.Дерменжи, В.А.Кузьмин, Н.Н.Крюкова и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов”. – М.: Энергия, 1980 г.

Формула изобретения

Полупроводниковый прибор с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий эмиттерный р-слой, базовый n-слой, базовый р-слой, основной эмиттерный n-слой, образующие совместно с электродами анода и катода основную тиристорную зону, несколько дискретных тиристорных зон, в пределах которых время жизни неравновесных носителей заряда _ннз [мкс] в базовом n-слое больше, чем в пределах основной тиристорной зоны, и зону внешнего управления, причем электрод анода, эмиттерный р-слой, базовый n-слой и базовый р-слой являются общими для основной тиристорной зоны, дискретных тиристорных зон и зоны внешнего управления, отличающийся тем, что дискретные тиристорные зоны расположены внутри основной тиристорной зоны с выходом на главные поверхности, а электрод катода с прилегающим к нему основным эмиттерным n-слоем являются общими как для основной тиристорной зоны, так и для дискретных тиристорных зон, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон _ннзд [мкс] и в пределах основной тиристорной зоны _ннзо [мкс] выбирают из условий:

где t_q [мкс] – время выключения прибора,

а минимальные L_дmin [см] и максимальные L_дmax [см] линейные размеры сечений (по горизонтали) дискретных тиристорных зон и их количество N_дтз [шт.] выбирают из условий:

где L_ннзд [см] – диффузионная длина неравновесных носителей заряда в базовом n-слое в пределах дискретных тиристорных зон,

S_пв [см²] – площадь первоначального включения основной тиристорной зоны через зону внешнего управления,

S_дтзi [см²] – площадь i-той дискретной тиристорной зоны.

РИСУНКИ