РЕВЕРСИВНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1994 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в реверсивно-управляемых приборах транзисторного и тиристорного типа для уменьшения мощности цепи накачки при коммутации больших токов.

Известен реверсивно-управляемый прибор транзисторного типа (РУТ) [1] , представляющий собой n⁺pnn⁺-структуру без управляющего электрода, крайние n⁺-слои которой легированы равномерно по площади до концентрации 10²⁰-10²¹ см^-3, а базовый р-слой на границе с n^+-эмиттерным слоем имеет концентрацию примеcи 10¹⁶-10¹⁷ см^-3, что обеспечивает высокий коэффициент инжекции n⁺p-эмиттерного перехода и, следовательно, большой коэффициент усиления транзистора.

Известен также реверсивно-управляемый прибор тиристорного типа - реверсивно-включаемый динистор (PВД) принятый в качестве прототипа [2] , содержащий эмиттерные и базовые слои, представляющий собой n⁺pnnp⁺-структуру также без управляющего электрода с такими же, как в описанном выше РУТ, концентрациями примеси в крайних и базовом р-слоях.

В основе работы РУТ и РВД лежит принцип реверсивно-инжекционного управления, заключающийся в кратковременном изменении полярности приложенного внешнего прямого напряжения на обратное с последующим установлением напряжения исходной прямой полярности.

При подаче на прибор напряжения обратной полярности (импульса накачки) в его приколлекторной области накапливается избыточный заряд, т. е. создается плазменный слой, распределенный равномерно по всей площади прибора. После окончания импульса накачки на приборе восстанавливается первоначальная полярность напряжения и внешнее поле вытягивает носители из плазмы однородно по всей площади. Этот экстракционный ток и является током управления реверсивно-включаемого транзистора (РУТ) или реверсивно-включаемого динистора (РВД), обеспечивающим включение сразу всей площади приборов, что и определяет их уникальные коммутационные характеристики. Приборы не нуждаются в изготовлении третьего электрода (управляющего) и представляют собой n⁺pnn⁺- или n⁺-pnnp⁺-структуру соответственно, крайние сплошные n⁺-эмиттерные слои которой легированы равномерно по площади до концентрации 10²⁰-10²¹ см^-1, а базовый р-слой на границе с n⁺-эмиттером имеет концентрацию примеси 10¹⁶-10¹⁷ см^-3, что обеспечивает высокий коэффициент инжекции n⁺-p-эмиттерного перехода при прямом смещении и, следовательно, высокий коэффициент усиления n⁺-pn⁺-транзистора. При подаче импульса накачки n⁺-p-эмиттерный переход смещается в запорном направлении и пробивается, коллекторный pn-переход оказывается прямосмещенным, базовый р-слой выполняет функцию эмиттера, в приколлекторном слое накапливается избыточный заряд. После окончания импульса накачки дырки, вытягиваемые из приколлекторного плазменного слоя внешним полем в р-базу, понижают потенциальный барьер эмиттерного n⁺-p-перехода вызывают инжекцию электронов по всей площади прибора, т. е. его включение. РВД срабатывает как ключевое устройство, а РУТ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока весь запас дырок, созданный током накачки, не прорекомбинирует в р-слое с проходящими электронами.

Недостатками этих приборов является то, что при подаче импульса накачки коэффициент инжекции прямосмещенного коллекторного pn-перехода мал и при большой плотности тока накачки появляется значительный электронный ток через потенциальный барьер коллекторного pn-перехода в р-базовый слой. Это не дает возможность ввести при накачке достаточно большой заряд дырок в n-слой даже при существенном увеличении амплитуды и длительности импульса тока накачки, т. е. мощности накачки и, тем самым ограничивает допустимую величину прямого тока через прибор и усложняет схему управления.

Цель изобретения - уменьшение мощности управления путем уменьшения амплитуды и длительности тока накачки реверсивно-управляемых приборов.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе, содержащем эмиттерный и базовый слои, в базовый слой на границе с эмиттером дополнительно введены участки с концентрацией легирующей примеси, не менее чем на порядок превышающей концентрацию легирующей примеси в основном базовом слое того же типа проводимости, причем поперечный размер этих участков L₁, расстояние между ними L₂ и их глубина х отвечают следующим соотношениям:
L₁≅ 2 , L₂≅ 2 , X≅ W-W₀₀₃ где τ - время жизни неравновесных основных носителей в основном базовом слое;
D - амбиполярный коэффициент диффузии этих носителей;
= + t - длительность тока накачки;
D' и τ' - коэффициент диффузии и время жизни неосновных неравновесных носителей в участках с повышенной концентрацией легирующей примеси;
W - ширина базового слоя;
W₀₀₃ - ширина области объемного заряда коллектора в базовом слое при заданном рабочем напряжении.

Предлагаемая конструкция может быть использована как в РУТ, так и в РВД, поскольку механизм протекания тока в n⁺p-n-частях обоих типов приборов одинаков.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема предлагаемой конструкции для РУТ; на фиг. 2 - то же, для РВД, где 1 - n⁺-p-эмиттерный переход, 2 - p-n-коллекторный переход, 3 - участки базового р-слоя с повышенным легированием, 4 - p⁺n-эмиттерный переход РВД, 5 - участки базового n-слоя РВД с повышенным легированием.

На фиг. 3 и 4 приведены осциллограммы процесса переключения РУТ и РВД соответственно.

В стационарном состоянии прибор находится под прямым смещением в запертом состоянии. Коллекторный переход 2 блокирует внешнее напряжение. Для накачки полярность внешнего напряжения меняется на время, равное длительности импульса накачки. При этом n⁺-p-эмиттерный переход 1 смещается в обратном направлении и пробивается в областях над участками базового слоя с повышенным легированием 3.

Зависимость напряжения пробоя резкого p-n-перехода в кремний от уровня легирования базового слоя приведена ниже:
Концентрация
примеси, см^-3 10¹⁶ 10¹⁷ 10¹⁸
Напряжение
пробоя p-n-пе-
рехода, В 60 12 4
Прямосмещенный коллекторный переход начинает инжектировать дырки, причем принципиальным отличием от прототипа является то, что инжекция осуществляется только под участками 3, так как в остальной части прибора обратносмещенный эмиттерный переход 1, имеющий более высокое чем над участками 3 напряжение пробоя, препятствует протеканию тока. Благодаря тому, что концентрация легирующей примеси в участках 3 не менее чем на порядок превышает концентрацию легирующей примеси в остальной части базового слоя, коэффициент инжекции дырок коллекторным переходом под этими участками велик, т. е. электронная компонента тока накачки мала - практически весь ток накачки является дырочным и используется для создания управляющего плазменного слоя. Таким образом, та же величина силового тока, что и в известных РУТ и РВД, может быть получена при меньшей длительности и амплитуде тока накачки. Верхний предел уровня легирования участков 3 определяется технологическими возможностями изготовления эмиттерного слоя над этими участками и приближается по значению к величине, примерно на порядок меньшей предельной растворимости легирующей примеси в эмиттере - именно такое соотношение концентраций в эмиттерном и базовом слоях необходимо для уверенного создания p-n-перехода. Расстояние L₂ между областями 3 обеспечивает формирование однородного по площади прибора плазменного слоя без существенного уменьшения концентрации плазмы в областях, максимально удаленных от края инжектирующей области, т. е.

L₂≅ 2 где = + D - амбиполярный коэффициент диффузии неравновесных носителей в базовом слое, инжектируемых слоем с повышенным легированием на этапе накачки;
τ - время жизни этих носителей;
t - длительность импульсов тока накачки.

Величина L₂ может быть определена как характеристическая длина, равная мгновенной ширине плазменного слоя на этапе накачки. При t << τ она определяется временем протекания тока накачки; при t >> τ она сравнима с диффузионной длиной инжектируемых неравновесных носителей в базовом слое.

Очевидно, что расстояние между участками 3 не может быть выбрано сколь угодно малым, так как именно участки L₂ обеспечивают протекание основной части силового тока через прибор.

После окончания импульса тока накачки к прибору вновь прикладывается напряжение исходной полярности. При этом внешнее поле вытягивает основные носители из приколлекторного плазменного слоя и вводит их в базовый слоя. Это приводит к понижению потенциального барьера n⁺-p-эмиттерного перехода 1 и вызывает инжекцию электронов в базовый слой, т. е. через базовый слой начинает протекать силовой электронный ток. При этом в участках 3 базового слоя коэффициент переноса носителей мал из-за сильного легирования областей, поэтому мал также и коэффициент инжекции эмиттерного перехода 1 над участками 3 и, следовательно, коэффициент усиления по току n⁺-pn-прибора в районе этих областей значительно меньше чем в остальной его части. Однако при одинаковой величине прямого смещения на всем эмиттерном переходе 1 плотность тока инжекции на участках 3 ниже чем в остальной части из-за большой высоты потенциального барьера n⁺-p-перехода, т. е. основная часть электронного тока проходит в области n⁺-pn-прибора с большим коэффициентом усиления. Размер L₁ участков 3 должен быть меньше удвоенной амбиполярной диффузионной длины неравновесных дырок в р-базе для того, чтобы во время протекания силового тока дырки из участков базы, расположенных под участком 3, успевали диффундировать в соседние области и инициировали протекание силового электронного тока. Таким образом,
L₁≅ 2 При этом очевидно, что поперечный размер L₁ участков 3 не может быть выбран слишком малым при выбранном расстоянии L₂, так как малый размер L₁ при достаточно большом L₂ приведет к очень большой плотности тока накачки и, следовательно, к снижению коэффициента инжекции p⁺-p-перехода в участках 3.

Глубина х участков с повышенной степенью легирования должна быть не меньше диффузионной длины электронов в этих участках - для уменьшения встречного электронного тока в р' -р-переходе и тем самым обеспечения высокого коэффициента инжекции на этапе накачки - и небольшие разности между толщиной базового слоя и шириной области объемного заряда коллекторного перехода в базовом слое 5 при включении прибора в прямом направлении - для сохранения требуемой величины рабочего напряжения, т. е.

X≅ W-W₀₀₃.

Форма участков с повышенным легированием может быть любой. В РВД указанные участки изготавливаются в обоих базовых слоях при сохранении тех же соотношений.

Таким образом, благодаря новой совокупности признаков возникает новая возможность управления реверсивно-включаемыми приборами импульсами тока накачки малой длительности и амплитуды. Авторами впервые предложено выполнение базового слоя с участками повышенного легирования определенного размера именно такое выполнение позволило осуществить эффективное накопление управляющей прибором плазмы, что привело к уменьшению амплитуды и длительности тока накачки, а, следовательно, и мощности управления.

Были изготовлены согласно изобретению опытные образцы РУТ и РВД; параллельно изготовлялись аналогичные приборы без участков с повышенным легированием в базовых слоях. В основу положена диффузионная технология, в рамках которой слои р- и n-типа проводимости создавались последовательной диффузией алюминия, бора и фосфора. Маскирование поверхности при создании окон, в которых изготавливались участки с повышенным легированием, осуществлялось с помощью пленок SiO₂.

В таблице приведены конструктивные параметры РУТ и РВД.

Время жизни неравновесных дырок в р-слое τ_р≈ 1˙ 10^-6 с, время жизни неравновесных электронов в р-слое τ'≈ 0,05˙ 10^-6 с, W_РУТ = (30 ˙10^-4) см; W₀₀₃ ≈ (10˙ 10^-4) см, W_РВД ≈ (40 ˙10^-4) см, t_РУТ = (0,2˙ 10^-6) с, t_РВД = (2 ˙10^-6) с
Для оценки усилительных свойств РУТ использовалась величина коэффициента усиления по заряду, представляющая собой отношение заряда, прошедшего через транзистор при протекании прямого I_F (силового) тока Q_F к величине заряда, накопленного на этапе накачки Q_R: β= = Q_F/Q_R. На фиг. 3 приведены осциллограммы процесса переключения РУТ известного типа (кривая А) и РУТ по изобретению с конструктивными параметрами, приведенными в таблице кривая Б. Хорошо видно, что при фиксированной длительности импульса тока накачки (t = 0,2˙ 10^-6 с) в предлагаемой конструкции Q_F = I_F˙t_F даже несколько выше, чем в прототипе, при уменьшенной вдвое амплитуде тока накачки, т. е. при Q_R = (1/2)Q_R прототипа. Соответственно для прототипа β≈12, а в изобретении β≈ 30, т. е. В РУТ по изобретению за счет уменьшения амплитуды тока накачки удается почти втрое увеличить коэффициент усиления по заряду.

На фиг. 4 приведены осциллограммы процесса переключения РВД-прототипа (а) и РВД по изобретению (б) сплошные линии - ток, пунктир - напряжение. Известно, что для приборов этого типа при заданной конструкции существует некоторое характерное значение амплитуды тока накачки I_н^ОПТ по достижении которого (при I_н ≥ I_н^ОПТ) включение прибора происходит сразу после смещения структуры в прямом направлении. При I_н < I_н^ОПТ наблюдается задержка включения, возрастает также амплитуда вплеска прямого смещения. Осциллограммы на фиг. 4 даны для I_н > I_н^ОПТ. Хорошо видно, что в структуре по изобретению коммутация импульса тока той же, что и в прототипе, величины осуществляется при уменьшенной втрое амплитуде тока накачки (кривая В₁). Такой же результат получен при одинаковой с прототипом амплитуде тока накачки, но вдвое уменьшенной по сравнению с прототипом длительности импульса тока накачки (кривая Г).

Таким образом, изобретение позволило уменьшить мощность управления приборами реверсивно-управляемого типа и тем самым резко улучшить их коммутационные характеристики, что открывает широкие возможности для их применения в различных схемах преобразования электрической энергии. (57) Грехов И. В. , Костина Л. С. , Наливкин А. В. Мощный прибор ключевого типа - реверсивно-управляемый транзистор. ЖТФ, т. 56, N 2, 1986, с. 351.

2. Горбатюк А. В. и др. О новой возможности быстрой коммутации больших мощностей приборами тиристорного типа. Письма в ЖТФ, т. 8, N 11, 1982, с. 685-688.

Применение: в реверсивно-управляемых приборах транзисторного и тиристорного типа для уменьшения мощности цепи накачки при коммутации больших токов. Сущность изобретения: вполупроводниковую структуру в базовый слой на границе с эмиттерным слоем введены участки с концентрацией легирующей примеси, не менее чем на порядок превышающей концентрацию легирующей примеси в базовом слое того же типа проводимости, при этом поперечный размер этих участков, расстояние между ними и их глубина удовлетворяют ряду соотношений. 4 ил.

РЕВЕРСИВНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР на основе четырехслойной структуры n⁺ - p - n - p⁺-типа, включающий эмиттерный, базовые и коллекторный слои, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мощности управления путем уменьшения амплитуды и длительности тока накачки, в базовый слой на границе эмиттерного слоя введены участки с концентрацией легирующей примеси, не менее чем на порядок превышающей концентрацию легирующей примеси базового слоя того же типа провидимости, при этом поперечный размер участков L₁, расстояние между ними L₂ и их глубина X удовлетворяют соотношениям
L₁≅ 2; L₂≅ 2 X≅ W-W₀₀₃
где τ - время жизни основных неравновесных носителей в основном базовом слое;
D - амбиполярный коэффициент диффузии этих носителей;
= +
t - длительность тока накачки,
D′ и τ′ - коэффициент диффузии и время жизни неосновных неравновесных носителей в дополнительных участках;
W - ширина базового слоя;
W₀₀₃ - ширина области пространственного заряда коллектора в базовом слое при заданном рабочем напряжении.