ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01L25/03 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при выпрямлении переменного тока.

В настоящее время для выпрямления переменного тока преимущественно используют либо диодные, либо тиристорные гибридные или интегральный выпрямительные модули.

Известно выполнение тиристорных управляемых выпрямительных модулей, в которых области управления расположены со стороны катода, тиристорные элементы ориентированы анодными поверхностями к пластинам [1]
Поскольку выпрямляемый ток должен быть подведен к катоду одной группы тиристоров и к аноду другой группы тиристоров, то при вышеуказанном способе монтажа тиристорных элементов подвод выпрямляемого тока и съем выпрямленного тока к тиристорам анодной группы затруднен и требует разработки специальных конструкций тоководов и токосъемников, что усложняет конструкцию, уменьшает ее надежность, увеличивает массу и габариты конструкции. Изоляция между отдельными тиристорными элементами осуществляется обычно посредством воздушных зазоров, что увеличивает габариты устройства и уменьшает надежность работы устройства из-за возможных попаданий между элементами проводящих сред, в частности воды.

Наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый выпрямительный модуль, содержащий металлическое основание, на котором размещена диэлектрическая теплопроводная прокладка с установленными на ней через два токосъема катодами и анодами, выпрямительные элементы катодной и анодной групп, выполненные в виде многослойной полупроводниковой структуры с чередующимся типом проводимости, один из слоев которой является исходным, и дополнительные токосъемы [2]
Недостатки известной конструкции полупроводникового выпрямительного модуля заключаются в том, что изоляция диодных элементов как в отдельности, так и в групповом исполнении (гибридном или интегральном) осуществляется с помощью канавок по верхним и нижним плоскостям, что затрудняет монтаж выпрямительных модулей. При этом не определены оптимальные, с точки зрения пробивных напряжений, формы канавки. При гибридном исполнении модулей изоляцию между отдельными элементами осуществляют посредством воздушных зазоров, что приводит к значительному увеличению размеров модулей, а также к уменьшению механической прочности.

В основу изобретения положено решение малогабаритного полупроводникового выпрямительного модуля, пригодного для работы с высокими токами и напряжениями, а также упрощения технологии создания подобных модулей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковом выпрямительному модуле, содержащем металлическое основание, на котором размещена диэлектрическая теплопроводная прокладка с установленными на ней через два токосъема катодами и анодами, выпрямительные элементы катодной и анодной групп, выполненные в виде многослойной полупроводниковой структуры с чередующимся типом проводимости, один из слоев которой является исходным, и дополнительные токосъемы, выпрямительные элементы катодной и анодной групп модуля содержат вертикальный полупроводниковый слой, охватывающий исходный слой многослойной полупроводниковой структуры, с выполненными на его наружной поверхности разделительными замкнутыми канавками, граничащими либо с блокирующим p-n переходом, либо с исходным полупроводниковым слоем, а вертикальный полупроводниковый слой и исходный слой многослойной полупроводниковой структуры выполнены из материала с разным типом проводимости.

Такое решение позволяет разместить анодную и катодную группы элементов на общем изолирующем основании, на котором в виде металлических полос выполнены контакты к общим точкам анодной и катодной групп. Верхние контакты осуществляются попарно (один катодный и один анодный элемент).

В качестве выпрямительного элемента катодной и анодной групп могут быть использованы диод, тиристор, симистор (триак), оптотиристор и оптосимистор. При этом используются тиристоры, управляемые со стороны катода, причем управляющий электрод тиристоров анодной группы установлен на отдельной, изолированной от основания металлической площадке. Кроме того, в качестве выпрямительных элементов катодной группы могут быть использованы тиристоры, управляемые со стороны катода, а в качестве выпрямительных элементов анодной группы могут быть использованы тиристоры, управляемые со стороны анода, расположенного на p-эмиттере, причем катод расположен на n-эмиттере, а управляющий электрод частично на p-эмиттере и частично по периферии на замкнутой области n-типа, выходящей за пределы управляющего электрода и выполненный в области p-эмиттера.

В качестве выпрямительных элементов катодной группы модуля могут быть использованы фототиристоры, управляемые со стороны катода, а в качестве выпрямительных элементов анодной группы фототиристоры, управляемые со стороны анода, установленные катодом через токосъемы на диэлектрической прокладке и имеющие фотоокно на области p-эмиттера, являющейся анодом.

В случае использования в качестве выпрямительного элемента симистора (триака) с двумя основными и управляющим электродами под ним располагают области n- и p-типа, а разделительную канавку выполняют между контактами управляющего и основного электродов.

В случае использования в качестве выпрямительного элемента фототиристора переключателя переменного тока, управляемого светом с одной плоскости, его выполняют с зашунтированными крайними p-n переходами и перекрытием проекций крайних слоев n-типа на одну из главных плоскостей модуля в области центрально расположенного фотоокна, сформированного в верхней основном электроде, причем в области фотоокна выполняют области как n-, так и p-типа, а в области проекции фотоокна на нижнюю плоскость выполняют выступ n-типа.

При этом над каждым фототиристором установлен один источник света, а в качестве источника использован светодиод. Причем анодная и катодная группы выпрямительных элементов могут быть изолированы либо воздушных промежутком, либо кремнийорганическим компаундом.

Анодная и катодная группы выпрямительный элементов могут быть выполнены в виде единой многослойной полупроводниковой структуры с охватывающим вертикальным слоем p-типа, причем единая многослойная полупроводниковая структура выполнена с двумя продольными нижними канавками, наружные части которых расположены на границе охватывающего вертикального слоя p-типа и исходного слоя n-типа.

Анодная и катодная группы выпрямительных элементов могут быть выполнены в виде единой многослойной полупроводниковой структуры с охватывающим вертикальным слоем p-типа, который выполнен с центральным изолирующим слоем n-типа, причем единая многослойная полупроводниковая структура выполнена с верхней и нижней продольными разделительными канавками, дно которых расположено в центральном изолирующем слое n-типа, а тиристоры, управляемые со стороны анода, имеют разрывы n-эмиттера, образующие область n-типа таким образом, что проекция управляющего электрода приходится на эту область, причем внутри и снаружи этой области выполнены область p-типа, отделяющая область n-типа от остального n-эмиттера, причем область n-типа выполнена с разрывами, а протяженность элементов области n-типа между разрывами составляет 0,1 10 Wp, где Wp ширина области p-базы.

В области фотоокна фототиристоров анодной группы в объеме области p-эмиттера выполнено не менее одной кольцевой области, разрыв которой ориентирован радиально относительно оси симметрии фотоокна, причем кольцевая область выполнена в виде области n-типа проводимости, или в виде канавки, при этом глубина кольцевой области составляет не менее величины слоя объемного заряда, возникающего в области p-эмиттера при максимально обратном напряжении, а в области n-эмиттера под областью фотоокна выполнена кольцевая область p-типа проводимости с разрывами, ориентированными радиально относительно оси симметрии кольцевой области.

В случае использования симистора (триака) разделительная канавка граничит с областью по меньшей мере одного типа проводимости, не покрытой металлизацией, при этом областью, не покрытой металлизацией, является область, выполненная либо из полупроводника n-типа проводимости, либо из полупроводника как p-, так и n-типа проводимости, а глубина разделительной канавки лежит в пределах от 0,1 до 0,5 глубины залегания крайнего со стороны области управления эмиттерного перехода; ширина разделительной канавки превышает ширину слоя объемного заряда крайнего эмиттерного перехода при максимальном обратном напряжении на управляющем электроде, причем часть канавки, приходящаяся на область n-типа, и часть канавки, приходящаяся на область p-типа, превышают ширину слоя объемного заряда в соответствующей области при упомянутом напряжении.

В случае использования фототиристора на нижней плоскости под фотоокном, между осью симметрии и границей выступа n-типа выполнены области как n-типа, так и p-типа, причем область p-типа имеет форму или круга, или овала, или части кольца, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии области управления, а выступ n-типа на верхней плоскости в области фотоокна снабжен выемкой, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии области управления, причем наиболее удаленная точка выемки расположена между осью симметрии области управления и границей фотоокна, при этом между областью p-типа на нижней плоскости и областью p-типа под основными контактами выполнен канал p-типа, соединяющий эти области.

Кроме того, в выступе n-типа на верхней плоскости выполнены концентрично расположенные круговая область и кольцевая область p-типа, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии фотоокна.

Причем во всех вариантах исполнения выпрямительных элементов ширина разделительной канавки структуры не превышает 1,5 W_n, глубина канавки h ограничена пределами x_j+ Δx_ck<h< x_j+ 0,5 W_n где W_n толщина области n-базы, x_j глубина залегания p-n перехода, образованного базовыми областями, Δx_ck - протяженность компенсированного слоя в области n-базы, при этом дополнительно на внутренней стенке разделительной канавки выполнен уступ, причем ширина ступеньки уступа выполнена не менее 1,5 W_оз, глубина уступа не менее x_j+ Δx_ck где W_оз ширина области объемного заряда в области n-базы при максимальном напряжении, а ступенька уступа выполнена под углом 1-20^o относительно p-n перехода, образованного базовыми областями, и пересекает этот p-n переход.

На фиг.1 представлен трехфазный диодный мостовой выпрямитель, анодная и катодная группа которого смонтирована на металлических пластинах;
На фиг.2 и 3 представлены разрезы катодной и анодной групп.

На фиг.4 показана интегральная схема трехфазного мостового диодного выпрямителя, выполненная в одном монокристалле. Присоединение верхних контактов не показано, оно такое же, как на фиг.1.

Разрез по плоскостиперпендикулярной изолирующим продольным канавкам, для двух вариантов изоляции между анодной и катодной группами выполнен на фиг.5 и 6.

На фиг. 7 представлен трехфазный тиристорный мостовой выпрямитель, тиристоры анодной группы которого имеют области управления, выведенные на нижнюю плоскость кристалла.

Разрез анодной и катодной групп представлен на фиг.8 и 9. Поперечный разрез выпрямителя, выполненный по основным контактам, дается на фиг.10. Однокристальное исполнение тиристорного выпрямителя приведено на фиг.11. Поперечный разрез выпрямителя для двух вариантов межгрупповой изоляции показан на фиг. 13. На фиг.14 представлен трехфазный мостовой тиристорный выпрямитель, тиристоры анодной группы которого имеют управляющий электрод, присоединенный со стороны анодной плоскости.

Разрезы анодной и катодной групп показаны на фиг.15 и 16.

На фиг. 17 приведен разрез и вид сверху тиристора анодной группы. Однокристальное исполнение тиристорного выпрямителя, тиристоры анодной группы которого имеют управляющий электрод, расположенный со стороны анодной плоскости, реализуется аналогично предыдущему варианту (фиг.11, 12 и 13). На фиг. 18 показан оптотиристорный трехфазный мостовой выпрямитель (диоды-излучатели не изображены).

Разрезы анодной и катодной групп представлены на фиг.19 и 20. На фиг.21 и 22 дается разрез и вид сверху фототиристора, управляемого со стороны анода.

Разрез и вид снизу фототиристора, управляемого со стороны анода с улучшенными динамическими характеристиками, приведен на фиг.23 и 24. Однокристальное исполнение трехфазного оптотиристорного мостового выпрямителя аналогично фиг.11, 12 и 13.

На фиг. 25 представлен фрагмент области управления триака с канавкой, частично заходящей в n-область эмиттера и n-область управляющего электрода.

На фиг.26 канавка выполнена в области p-n переходов в области между металлизацией основного электрода и электрода управления.

Вид сверху, разрез и вид снизу фрагмента области управления фотосимистора с улучшенными динамическими характеристиками для трех вариантов изображены на фиг.27-35.

На фиг.36 и 37 изображено распределение слоя объемного заряда в тиристоре при прямом и обратном напряжении для неглубокой канавки.

То же, но для глубокой канавки показано на фиг.38 и 39.

Распределение слоя объемного заряда при наличии уступа в канавке дается на фиг.40 (прямое напряжение) и на фиг.41 (обратное напряжение).

Лучший вариант осуществления изобретения позволяет реализовать выпрямительные модули, в которых в качестве полупроводниковых выпрямительных элементов могут быть использованы диоды, тиристоры, триаки (симисторы), фототиристоры, фотосимисторы, оптотиристоры и оптосимисторы. При этом возможны несколько вариантов продукции, производимой на основе изобретения. Это двухэлементные модули встречно-включенных элементов с одной общей точкой, трехэлементные однонаправленные модули с общей точкой, однофазные выпрямительные мосты, трехфазные выпрямительные мосты, многофазные выпрямительные мосты, многоэлементные однонаправленные сборки с общей точкой и др.

В качестве пример лучшего варианта осуществления изобретения выбран трехфазный мостовой выпрямитель; это, с одной стороны, достаточно широкой применяемый вариант мостового выпрямителя, а с другой стороны достаточно общий пример, из которого легко получить варианты однофазного мостового выпрямителя, модуля из двух встречно-включенных элементов с общей точкой, сборки из нескольких однонаправленных элементов с общей точкой и других.

Диодный модуль трехфазного мостового выпрямителя (фиг.1) содержит анодную 1 (3 диода) и катодную 2 (3 диода) группы, которые смонтированы на металлических пластинах 3 и 4, выполняющих функции токосъемников. При этом катоды анодной группы и аноды катодной группы контактируют соответственно с пластинами 4 и 3. В случае интегрального исполнения анодная и катодная группы выполнены в отдельных кристаллах. Изоляция групп от металлического основания 7 осуществляется с помощью изолирующей прокладки 5. Соединение между диодами осуществляется с помощью проводников 6, являющихся одновременно контактами в трехфазной цепи переменного тока. Контакт к верхней плоскости полупроводниковых кристаллов осуществляется с помощью металлического слоя 10, который контактирует в случае катодной группы с полупроводником n-типа 8 и в случае анодной группы с полупроводником p-типа 9. В случае гибридного исполнения анодная группа состоит из трех диодов a, b и c, соединенных встык. Соответственно катодная группа состоит из элементов d, e и f. Возможность реализации группы в одном кристалле (интегральная схема), а также возможность соединения встык элементов внутри группы (гибридная схема) обеспечивается за счет того, что каждый выпрямительный элемент с боков окружен слоем p-типа, который в комбинации с канавкой, достигающей исходного материала n-типа, обеспечивает изоляцию высоковольтных переходов. Систему изоляции поясняют фиг. 2 и 3. На фиг.2 изображен разрез катодной группы, которая реализована в исходном полупроводнике n-типа 11 (база диодов). P-слой 12 является одновременно эмиттером диодов (нижняя горизонтальная часть) и элементом изоляции p-n перехода 13 (вертикальная часть).

Полупроводниковый кристалл, в котором выполнены диодные элементы, монтируется на общее металлическое основание 15. Остальные контакты 14 осуществляются к каждому элементу. На фиг.3 изображен разрез анодной группы диодов, которая реализована в исходном полупроводнике n-типа 16 (база диодов). P-слой 17 является одновременно эмиттером диодов (верхняя и горизонтальная часть) и элементом изоляции базы от соседнего элемента (вертикальная часть). Контакты к полупроводниковому кристаллу осуществляются с помощью общего основания и верхней металлизации 19.

Межгрупповая изоляция на фиг.1 осуществляется за счет того, что, с одной стороны, группы диодов монтируются на изолирующей подложке 5 (фиг.1), а с другой стороны между группами диодов имеется воздушный промежуток. Для уменьшения расстояния между группами этот промежуток заполняется изолирующим материалов, например, кремнийорганическим компаундом.

В случае гибридного варианта кристаллы на фиг.2 и 3 разделяются на три фрагмента, как показывают штрихпунктирные линии, и каждый фрагмент монтируется встык на общее основание. Модуль на фиг.1 состоит из двух групп диодов, которые изолированы друг от друга. Тем не менее возможно реализовать мостовой выпрямитель в одном монокристалле. На фиг.4 представлен монокристалл трехфазного мостового выпрямителя 20, который монтируется на металлические токоотводящие шины 21 и 22, прикрепленные к изолированной пластине 23, находящейся на тепловоде 25. Катодная группа диодов контактирует с общей пластиной 21, каждый диодный элемент катодной группы на верхней плоскости имеет металлизацию 24, нанесенную на область n-типа 26, выходящую на верхнюю плоскость диодных элементов. Анодная группа диодов контактирует с общей пластиной 22, каждый диодный элемент группы на верхней плоскости имеет металлизацию 28, нанесенную на область p-типа 27. Система верхних контактов аналогична фиг. 1. Верхние пластины, связывающие металлизацию групп 24 и 28, показаны штриховыми линиями. Внутригрупповая изоляция осуществляется канавками, окружающими по периметру диодные элементы на верхней плоскости. Дно канавки располагается в исходном материале n-типа. Межгрупповая изоляция осуществляется двумя способами. На фиг.5, представляющей собой поперечный разрез кристалла, изображенного на фиг.4, она осуществляется либо с помощью двух канавок, расположенных на нижней плоскости и пересекающих весь кристалл (фиг.4), и верхних канавок, являющихся фрагментами внутригрупповой изоляции, либо с помощью одной верхней и одной нижней канавки, как показано на фиг.5 штриховыми линиями. Разрез кристалла, изображенный на фиг.5, представляет собой комбинацию двух диодных структур, выполненных на основе исходного материала n-типа, являющегося базой 29, и сильнолегированного p-слоя 30, образующего с базой 29 p-n переход 31. Диодные структуры имеют контакты 32 и 33. На фиг.6 представлен другой вариант осуществления межгрупповой изоляции анодной и катодной групп диодов, выполненных в исходном полупроводнике n-типа 34. Сильнолегированный слой p-типа 35 создает на границе с p-слоем 34 p-n переход 36. Диодные элементы снабжены верхними контактами 37 и нижними контактами 38. Изоляция между диодными элементами на фиг.6 (межгрупповая изоляция) осуществляется с помощью центрального изолирующего слоя n-типа, окруженного со всех сторон слоями p-типа, и верхней и нижней изолирующих канавок, пересекающих весь кристалл, дно которых расположено в центральном изолирующем слое n-типа.

Тиристорный модуль трехфазного мостового управляемого выпрямителя изображен на фиг. 7. Основу его составляют два полупроводниковых кристалла, в которых выполнена катодная группа тиристоров 39 и анодная группа тиристоров 40. Кристаллы смонтированы на общих металлических пластинах 41 и 42, являющихся токоотводами выпрямителя. От теплоотвода 45 эти пластины отделены изолирующей пластиной 43. Соединения между тиристорами осуществляются с помощью проводников 44, являющихся одновременно контактами к трехфазной сети переменного тока. На верхней плоскости тиристоров анодной группы находится p-слой 46. Область управления тиристоров катодной группы 47 имеет p-тип проводимости. Остальная часть поверхности тиристорных элементов катодной группы в основном имеет n-тип проводимости 52. Тиристоры катодной группы имеют металлизацию области управления 49 и основного контакта 48. На изолирующей пластине помимо токоотводящих пластин 41 и 42 размещены металлические пластины 50, контактирующие с областями управления тиристоров анодной группы. К пластинам 50 и областям металлизации 49 присоединены управляющие выводы 51. Конструкцию анодной группы раскрывает фиг.8, на которой представлено ее продольное сечение. Анодная группа реализована в исходном кристалле n-типа, образующем n-базу 52. Ниже ее расположена p-база 53 и n-эмиттер 55. Слои 52, 53 и 55 образуют p-n переходы 54 и 59. На верхнюю плоскость структуры выходят слои p-типа 56, образующие со слоем 52 p-n переход 57. Общим контактом является пластина 58. На верхних слоях p-типа 56 находятся контакты 60. На фиг.9 представлено продольное сечение катодной группы тиристоров, которая реализована в исходном полупроводнике n-типа, образующем n-базу 61. Под ней расположен p-эмиттер 62, граница этих областей является p-n переходом 63. Над n-базой 61 находится p-база 64 и над ней n-эмиттер 65. Эти три области образуют p-n переходы 66 и 67. Кристалл с тиристорными элементами размещен на общей токоотводящей пластине 68. На верхних n-эмиттерах 65 размещены верхние контакты 69. Поперечный разрез мостового выпрямителя, изображенного на фиг.7, представлен на фиг.10. Левая часть является разрезом катодной группы тиристоров, правая часть анодной группы тиристоров, которые реализованы на основе исходного полупроводника n-типа 71, образующего n-базу тиристора. Снизу и с боков n-база 71 охватывается слоем p-типа 72, сверху она граничит с p-базой 73. N-эмиттер катодной группы 74 и p-эмиттер анодной группы 73 имеют верхнюю металлизацию 76. На нижней плоскости размещаются основные токоотводы 77 и 78 и токоотвод от области управления 80.

В случае гибридного варианта анодная и катодная группы тиристоров набираются из трех тиристоров, соединенных встык. Это возможно благодаря наличию бокового p-слоя, окружающего каждый тиристорный элемент.

На фиг. 11 изображен трехфазный тиристорный мостовой выпрямитель, выполненный в одном монокристалле 81. Он располагается на двух токоотводящих металлических пластинах 82 и 83, которые контактируют с изолирующей прокладкой 84, расположенной на теплоотводе 86. Металлизация 85 на верхней плоскости образует основные контакты к p-области анодной группы 87. Металлизация 89 образует контакт к n-области, а металлизация 90 контакт к p-области управления тиристоров катодной группы. Пластины 91 являются токоподводами к области управления тиристоров анодной группы. Система внешних выводов на фиг.11 не показана, она аналогична фиг.7.

Внутригрупповая изоляция осуществляется канавками на верхней плоскости, окружающими по периметру тиристорные элементы. Дно канавок располагается в исходном материале, внешний край заходит на боковые области p-типа. Поперечный разрез мостового выпрямителя, показывающий систему межгрупповой изоляции, приведен на фиг.12. Изоляция осуществляется либо с помощью двух канавок, расположенных на нижней плоскости и пересекающих весь кристалл, и верхних канавок, являющихся частями внутригрупповой изоляции, либо с помощью одной верхней и одной нижней канавок, расположенных друг против друга, как показывают на фиг.12 штриховые линии. Поперечный разрез выпрямителя (фиг.12) представляет собой комбинацию двух тиристорных структур, выполненных на основе исходного материала n-типа, который является n-базой 92, содержащих сильнолегированные p-слои 93, сильнолегированный n-слой 96. На верхние и нижние слои 93 и 96 нанесена металлизация 95 и 97. На верхнюю и нижнюю области управления p-типа нанесена металлизация 94.

На фиг.13 представлен другой вариант межгрупповой изоляции анодной и катодной групп тиристоров, выполненных в исходном полупроводнике n-типа 98. Полупроводниковые тиристорные структуры содержит сильнолегированные p-слои 99, сильнолегированные n-слои 100. На верхней и нижней плоскостях нанесена металлизация основных контактов 101 и 102, области управления имеют металлизацию 103.

На фиг.14 изображен модуль мостового тиристорного выпрямителя, представленный в трехфазном варианте.

На фиг. 15 приведен разрез катодной группы, на фиг.16 приведен разрез анодной группы тиристоров. На фиг.17 приведен пример структуры тиристора, управляемого со стороны анода. Однокристальное исполнение модуля тиристорного выпрямителя, тиристоры анодной группы которого имеют управляющий электрод, расположенный со стороны анода, реализуются аналогично предыдущему варианту (фиг.11, 12 и 13).

Устройство содержит (фиг.14) теплоотвод 110, на котором размещена электроизоляционная теплопроводящая прокладка 108. На прокладке 108 установлены две металлические пластины 106 и 107. На пластине 107 размещены тиристоры анодной группы 104, на пластине 106 размещены тиристоры катодной группы 105. К тиристорам групп 104 и 105 со стороны верхней плоскости подведены тоководы 109.

Тиристоры катодной группы (фиг.15) выполнены на основе исходного материала n-типа 114, содержат сильнолегированные p-слои 115, сильнолегированные n-слои 116, металлизацию на верхней плоскости 117, покрывающую сильнолегированный n-слой и область управления p-типа, входящую на верхнюю плоскость. Кристалл монтируется на токоотвод 118.

Тиристоры анодной группы (фиг.16) выполнены на основе исходного материала n-типа 119, содержит сильнолегированные слои p-типа 120 и сильнолегированные n-слои 121. Металлизация на верхней плоскости 122 покрывает сильнолегированный p-слой 120 и область управления, состоящую из участков n-типа 121 и p-типа 120.

Устройство работает как обычный тиристорный выпрямитель. Отличие состоит только в работе тиристоров анодной группы (фиг.16). При подаче сигнала управления отрицательной полярности из n-слоя 121 начинается инжекция электронов, которые попадают в n-базу 119, понижают ее потенциал относительно p-слоя верхнего p-слоя 120 и вызывают инжекцию дырок в n-базу 119. Механизм включения аналогичен включению при присоединении управляющего электрода к n-базе. Это позволяет разместить управляющие электроды обеих групп на одной (верхней) плоскости, уменьшить размеры устройства. С другой стороны, возникновение в области управления пятислойной n-p-n-p-n структуры приводит к эффекту, известному в триаках как эффект (du/dt) com, или неконтролируемому включению структуры в проводящее состояние при высоких скоростях коммутации напряжения. Для устранения этого явления в рассматриваемом случае принимаются специальные мероприятия, которые разъясняет фиг.17. Здесь изображен фрагмент тиристора анодной группы (разрез и вид сверху), который реализован в исходном материале n-типа 124. Структура тиристора состоит также из сильнолегированных слоев p-типа 125 и n-типа 129 на верхней 130 и на нижней 131 плоскостях. Области n-типа имеют форму кольца. На нижней плоскости эти кольца соединены участками n-типа 131. Снизу структура тиристора покрыта сплошной металлизацией, сверху имеется металлизация области управления 128 в виде круга и основной части структуры в виде кольца 127. При такой конструкции включение осуществляется сначала в области малого кольца n-типа, затем включенное состояние распространяется по участкам 131 и достигает основной части структуры. Когда она включается, область структуры над малым кольцом n-типа практически не проводит тока, имеет более низкую температуру и повышенную стойкость к эффекту (du/dt) com.

Для тех случаев, когда необходимо иметь цепь управления, изолированную от основной цепи, предлагается модуль, основными элементами которого являются фототиристоры или оптотиристоры. На фиг.18 представлен фототиристорный вариант трехфазного мостового выпрямителя с изолированным входом. В случае оптотиристорного варианта над каждым фототиристором располагается диод-излучатель. Устройство состоит из двух фототиристорных групп: анодной 132 и катодной 133, которые монтируются на токоотводах 135 и 134, расположенных на изолирующей пластине 136, контактирующей с теплоотводом 138. Система подвода переменного тока 137 показана штриховыми линиями.

Особенности фототиристоров катодной группы разъясняет фиг.19. Фототиристоры состоят из n-базы (исходный материал) 139, сильнолегированной p-базы 141, p-эмиттера 140 и n-эмиттера 142. На верхней плоскости, со стороны которой подается свет, имеется металлизация 143. На нижней плоскости имеется общая металлизация 144.

Особенности фототиристоров анодной группы разъясняет фиг.20. Фототиристоры состоят из n-базы (исходный материал) 145, p-базы 146, p-слоя 147, формирующего эмиттер и боковой слой, и n-эмиттера 148. На верхней плоскости, со стороны которой подается свет, имеется металлизация 149, на нижней плоскости общая металлизация 150. Как следует из фиг.19 и 20, катодная и анодная группы фототиристоров управляются светом соответственно со стороны катода и анода. Поскольку анодная группа фототиристоров управляется со стороны анода, то для включения этих тиристоров требуется большая мощность управления, чем для тиристоров катодной группы, управляемой со стороны катода. Для получения симметрии управления обеих групп предлагается ряд мероприятий, снижающих мощность управления без существенного ухудшения других параметров (напряжение переключения, скорость нарастания анодного напряжения и другие). Эти мероприятия раскрывают фиг.21 и 22, на которых приведен разрез области управления и вид сверху фототиристора, управляемого со стороны анода. Структура фототиристора на фиг.21 содержит n-базу 151, p-базу 152, p-эмиттер 153, n-эмиттер 159, области n-типа 154 и 155 на верхней плоскости структуры. В разделении носителей (дырок и электронов, генерированных светом) в основном принимают участие p-n переходы 157 и 158. Структура имеет металлизацию на верхней и нижней плоскости 156. Области 154 и 155 имеют форму колец с разрывом (фиг. 22), ориентированных радиально относительно оси симметрии, что обеспечивает локализацию фототока в месте разрывов и способствует уменьшению мощности управления. Кольцевые области n-типа с разрывом 154 и 155 могут быть заменены канавками. Для уменьшения части света, поглощаемой p-слоем 153, в освещаемом участке p-слоя выполняется выемка 160, глубина которой не более разности толщины p-эмиттера и слоя объемного заряда, возникающее при максимальном обратном напряжении снижение перегрева структуры и повышение стойкости к эффекту (du/dt) com достигается с помощью кольцевой области p-типа, снабженной не менее чем одним разрывом, показанной на фиг.24, которая является видом снизу структуры, представленной на фиг.23. Здесь 161 n-база, 162 p-эмиттер, 163 p-база, 164 n-эмиттер, 165 область n-типа, по которой протекает фототок. При воздействии света вначале включается участок структуры, ограниченный областью 165. Далее включенное состояние распространяется через разрывы в p-кольце и достигает n-области 164, после включения области 164 ток нагрузки практически не протекает через центральный участок структуры, ограниченный n-областью 165.

В том случае, когда необходимо получить реверсивный (изменяющий направление выпрямленного тока) управляемый мостовой трехфазный выпрямитель, достаточно заменить в устройстве на фиг.14 тиристора на симисторы (триаки). Однако в этом случае остается проблема симметрии (выравнивания) токов управления в прямом и обратном направлениях. На фиг.25 и 26 представлены конструкции структур триаков, особенностью которых являются уменьшенные токи управления и их более высокая симметрия. Структура на фиг.25 содержит n-базу 168, слой P₁ 169, выполняющий функции эмиттера, p-базы и области управления, слой P₂ 170, выполняющий функцию p-базы и эмиттера, n-эмиттеры 171 и 172, слой P₂ 173, выполняющий функции области управления. Слои p- и n-типа образуют p-n переходы 176, 177, 178, 179, 180. Сверху и снизу на основных электродах выполнена металлизация 175, на области управления имеется металлизация 174.

Структура на фиг.26 содержит n-базу 190, слой P₁ 191, выполняющий функции базы, эмиттера и области управления, слой P₂ 192, выполняющий функции p-базы и эмиттера, n-эмиттеры 193 и 194, область управления n-типа 195. Слои n- и p-типа образуют p-n переходы 198, 199, 200, 201 и 202. На основных электродах сверху и снизу нанесена металлизация 197, на области управления имеется металлизация 197. структуры на фиг.25 и 26 отличаются от известных структур триаков тем, что канавка, выполненная между металлизацией области управления и металлизацией основных контактов на верхней плоскости либо частично заходит только в область n₁ (фиг.25), либо частично заходит в области n₁ и p₁ (фиг.26). В этом случае, по сравнению с известными структурами триаков, повышается плотность тока на краях инжектирующих переходов и снижаются токи управления.

Для тех случаев, когда необходимо получить реверсивный управляемый мостовой выпрямитель с изолированным входом, достаточно заменить в устройстве на фиг.18 фототиристорные элементы на фотосимисторные элементы. Однако специфика применения фототиристоров в управляемых мостовых выпрямителях выдвигает ряд требований к фотосимисторам. Это, прежде всего, требование небольшой мощности управления, высоких скоростей нарастания тока и напряжения. Этим требованиям удовлетворяют структуры фотосимисторов, представленные на фиг. 27-35. На фиг. 27, 28 и 29 изображен вид сверху, разрез и вид снизу структуры фотосимистора. В этих структурах приняты меры для того, чтобы в области первоначального включения имели место участки как прямоориентированных, так и обратноориентированных p-n-p-n структур. В известных структурах фотосимисторов в области первоначального включения реализуются пятислойные n-p-n-p-n структуры. Структура фотосимистора на фиг.28 содержит n-базу 203, p-слои 204 и 205, выполняющие функции эмиттера и базы. N-слои 206, 207, 208 и 211 выполняют функции эмиттеров. На верхней плоскости металлизация 209 и 210 выполняет функцию контактов к основной части и области управления структуры, изображенных на фиг.27 штриховыми линиями. Нижняя поверхность структуры покрыта металлизацией 212. На нижней плоскости в области выступа n-типа создается участок p-типа 213, который может соединяться каналом p-типа 214 с p-эмиттером 205. По сравнению с известными структурами фотосимисторов структура, изображенная на фиг.27, 28 и 29, отличается тем, что за счет уменьшения протяженности n-слоя 207 и создания участка 213 при включении в прямом и обратном направлении в области начального включения в прямом и обратном направлении реализуется p-n-p-n структура. Включение происходит следующим образом. Вначале включается в участок, где реализована p-n-p-n структура, затем включенное состояние по каналу распространятся к основной части структуры (прямая полярность). При обратной полярности ток протекает от выступа n-типа на верхней плоскости к нижней плоскости (область 206).

На фиг.30, 31 и 32 изображены вид сверху, разрез и вид снизу еще одного варианта структуры фотосимистора с улучшенными динамическими характеристиками. Структура получена на основе исходного материала n-типа (n-база 215), содержит p-слои 216 и 217, выполняющие функции базы и эмиттера, n-слои 218, 219, 220 и 221, являющиеся эмиттерами, металлизацию на верхней плоскости 223, 224 и 225, на фиг.30 показанную штриховыми линиями, металлизацию 222 на нижней плоскости. На нижней плоскости в области n-типа 218 выполнен участок p-типа в виде части кольца 226, которое может быть связан ос областью p-типа 217, выходящей на нижнюю плоскость, каналом p-типа, показанным на фиг.32 штриховыми линиями. По сравнению с предыдущим вариантом, на фиг.27, 28 и 29 участок p-типа на верхней плоскости приближен к области включения за счет выемки p-типа на выступе n-типа 219. Участок p-типа 213 преобразована в часть кольца 226. Эти мероприятия уменьшают падение напряжения на p-n-p-n структуре в начальный момент включения и увеличивают вероятность попадания области первоначального включения в участок p-типа 226 на нижней плоскости структуры. Два последних варианта относятся к структурам с регенеративным управляющим электродом. Тем не менее эти технические решения применимы и к нерегенеративным структурам. В этом случае фотоокно ограничивается областями внутри полуколец.

На фиг. 33, 34 и 35 представлен третий вариант оптосимистора с обычной (нерегенеративной) системой управления. Геометрия p- и n-областей на нижней плоскости фиг.34 аналогична фиг.29. Проблема приближения области включения к участкам, где реализованы четырехслойные p-n-p-n структуры решается с помощью чередующихся колец n- и p-типа в области управления (фотоокна) на фиг.33, где область фотоокна отмечена штриховой окружностью. Эффект повышения скорости нарастания нагрузочного тока имеет место и в случае структуры, вид сверху которой изображен на фиг.33, а вид снизу на фиг.35, т.е. без введения дополнительного участка p-типа в области выступа n-типа на нижней плоскости структуры.

Обязательным элементом рассмотренных выше конструкций является замкнутая по контуру канавка, дно которой располагается в исходном материала n-типа, а внешняя часть соприкасается с боковым слоем p-типа. Канавка, в принципе, является пассивным элементом, так как через нее не протекает ток нагрузки. В связи с этим канавка должна иметь минимальные размеры, выполняя при этом свое функциональное назначение повышение пробивного напряжения p-n перехода на поверхности. Решению этой задачи посвящены технические предложения, представленные на фиг. 36-41. На фиг.36 представлен разрез периферийной части p-n-p-n структуры, выполненной на основе исходного полупроводника n-типа (n-база 263). Структура также содержит p-слой 228, выполняющий функции эмиттера и бокового сильнолегированного слоя, и n-эмиттер 230. Слои образуют p-n переходы 233, 234, 235. На верхней плоскости имеется металлизация 231, на нижней 232. Особенностью прибора на фиг.36 является неглубокая канавка, дно которой расположено в n-базе 227, а глубина канавки h имеет величину порядка x_j+ Δx_ck, где x_j глубина залегания p-n перехода 235, Δx_ck протяженность скомпенсированного слоя в n-базе. При прямом включении p-n-p-n структуры (- на верхнем контакте 231 и + на нижнем контакте 232) слой объемного заряда (заштрихованная часть фиг.36) смыкается в местом выхода на поверхность p-n перехода 234. Этого можно избежать, если расстояние между выходом на поверхность p-n перехода 234 и границей объемного заряда на дне канавки будет превышать эффективную ширину n-базы W_nef. На фиг.37 представлена структура с неглубокой канавкой при обратном напряжении на структуре (+ на верхней контакте, на нижнем контакте), выполненной на основе полупроводника n-типа 236. Структура содержит также p-базу 238, p-слой 237, выполняющий функции эмиттера и бокового сильнолегированного слоя, n-эмиттер 239, контакты к полупроводнику 240 и 241. P- и n-слои образуют p-n переходы 242, 243, 244. Чтобы не имело места смыкание слоя объемного заряда при максимальном обратном напряжении, необходимо, как и в случае прямого напряжения, чтобы расстояние между выходом p-n перехода 224 на поверхность и границей объемного заряда на дне канавки превышало эффективную ширину n-базы W_nef. На фиг.36 и 37 объемный заряд обозначен штриховыми линиями. На фиг.38 и 39 представлена p-n-p-n структура соответственно при прямом и обратном напряжениях на контактах в случае глубокой канавки, когда глубина канавки h значительно превышает величину x_j+ Δx_ck На фиг.38 и 39 соответственно приняты следующие обозначения: исходный материал базы n-типа 227 и 236, p-база 229 и 238, p-эмиттер 228 и 237, n-эмиттер 230 и 239, контакты 231, 232, 240, 241, p-n переходы 233, 234, 235, 242, 263 и 244. При прямом смещении граница слоя объемного заряда на поверхности канавки в основном находится в районе крутой части канавки. При таком варианте максимальное значение глубины канавки определяется требованиями обеспечения работы структуры в обратном направлении (фиг. 39), когда слой объемного заряда должен выходить на максимально возможную поверхность канавки. Такой вариант представлен на фиг.39. Если учесть требования прямого и обратного включения, то максимальная глубина канавки не должна превышать величины h, где h геометрическая ширина n-базы. Таким образом, глубина канавки выбирается из условия
x_j+ 0,5W_n>h>x_j+ Δx_ck
Следует указать на то, что на практике не существует значения глубины канавки, которая бы обеспечила одинаковые условия для прямого и обратного включения. Если учесть, что канавка на практике реализуется методом травления, то, с учетом разброса, неглубокая канавка имеет глубину 2-3(x_j+ Δx_ck). Для глубоких канавок обеспечиваются лучшие условия для обратного включения. Возможно еще одно техническое решение, которое позволяет совместить положительные стороны неглубокой и глубокой канавок. На фиг.40 и 41 представлена конструкция p-n-p-n структуры, особенностью которой является наличие уступа в области канавки. Здесь приняты соответственно следующие обозначения: исходный материал n-база 263 и 272, p-база 265 и 274, p-эмиттер 264 и 273, n-эмиттер 266 и 276, p-n переходы 269, 270, 271 и 277, 278, 280, контакты 267, 268 и 276, 279. Наличие уступа приводит к тому, что правая часть канавки может рассматриваться как неглубокая канавка, обеспечивающая высокие прямые напряжения. Левая часть канавки может рассматриваться как глубокая канавка, обеспечивающая высокие обратные напряжения. В соответствии с этим глубина уступа h выбирается исходя из требований к глубине неглубокой канавки. Ширина уступа не менее 1,5 W₀₃ (W₀₃ ширина слоя объемного заряда с тем, чтобы поверхностная напряженность электрического поля в среднем не превышала объемную). Для того чтобы свести к минимуму технологические разбросы, пологая часть уступа (ступенька) может выполняться под небольшим углом (1-20^o). На фиг.40 это показано штриховой линией.

Ширина канавки задает протяженность периметра канавки ниже линии p-n перехода, которая (протяженность) должна быть не менее максимальной ширины объемного заряда. С учетом того, что канавка может иметь не вертикальные, а наклонные стенки, необходимо, чтобы ширина канавки по крайней мере не менее чем в полтора раза превышала ширину слоя объемного заряда. Канавка может отстоять от бокового слоя p-типа, как показано на фиг.40 и 41, но минимальные затраты полезной площади будут в том случае, когда внешняя часть канавки совпадает с границей бокового слоя p-типа.

Выбранный выше в качестве примера модуль трехфазного выпрямительного моста отнюдь не ограничивает возможности применения технических решений. Эти решения, охваченные формулой изобретения, позволяют реализовать следующие изделия:
1. Двухэлементные модули
двухэлементные диодные встречно-параллельные модули,
двухэлементные тиристорные встречно-параллельные модули,
двухэлементные встречно-параллельные оптотиристорные модули,
двухэлементные однонаправленные диодные модули,
двухэлементные однонаправленные тиристорные модули,
двухэлементные однонаправленные оптотиристорные модули,
двухэлементные симисторные модули,
двухэлементные оптосимисторные модули.

2. Трехэлементные модули
трехэлементные однонаправленные диодные модули с общей точкой,
трехэлементные однонаправленные тиристорные модули с общей точкой,
трехэлементные однонаправленные оптотиристорные модули с общей точкой,
трехэлементные симисторные модули,
трехэлементные оптосимисторные модули.

3. Однофазные мостовые выпрямители
однофазные диодные мостовые выпрямители,
однофазные тиристорные мостовые выпрямители,
однофазные оптотиристорные мостовые выпрямителя,
однофазные реверсивные симисторные мостовые выпрямители,
однофазные реверсивные оптосимисторные мостовые выпрямителя.

4. Полууправляемые выпрямители
диодно-тиристорные полууправляемые модули,
диодно-тиристорные полууправляемые однофазные мостовые выпрямители,
диодно-оптотиристорные полууправляемые однофазные мостовые выпрямители,
диодно-тиристорные трехфазные полууправляемые мостовые выпрямители,
диодно-оптотиристорные трехфазные полууправляемые мостовые выпрямители с изолированным входом.

5. Многоэлементные модули и многофазные выпрямители
многоэлементные диодные модули,
многоэлементные тиристорные модули,
многоэлементные оптотиристорные модули
многоэлементные симисторные модули,
многоэлементные оптосимисторные модули,
многофазные диодные мостовые выпрямители,
многофазные тиристорные мостовые выпрямители,
многофазные оптотиристорные мостовые выпрямителя с изолированным входом,
многофазные реверсивные оптосимисторные мостовые выпрямители,
многофазные диодно-тиристорные полууправляемые мостовые выпрямители,
многофазные диодно-оптотиристорные полууправляемые мостовые выпрямители с изолированным входом.

Фактически заявляемые технические решения позволяют решить проблему создания практически любых схем выпрямителей и их фрагментов, в том числе в гибридном и интегральном варианте на основе диодов, тиристоров, симисторов, оптотиристоров, оптосимисторов. Наряду со сказанным, элементы модулей могут быть использованы в виде дискретных полупроводниковых приборов или бескорпусных элементов. Такими приборами могут быть:
Прямоориентированные диоды (диодный элемент анодной группы диодов, фиг. 3),
обратноориентированные диоды (диодный элемент катодной группы диодов, фиг.2),
обратноориентированные тиристоры (тиристорный элементы анодной группы тиристоров, фиг.10, 17),
обратноориентированные фототиристоры и оптотиристоры (фиг.21-24),
тиристоры и симисторы с уменьшенными токами управления (фиг.25, 26),
фотосимисторы и оптосимисторы с высокими скоростями нарастания тока нагрузки (фиг.27-35).

Конструкции области управления, фиг.25 и 26, применимы к дискретным тиристорам и симисторам. Аналогично, конструкции канавки, представленные на фиг.36-41, могут быть использованы в дискретных диодах, тиристорах и симисторах.

Предлагаемые устройства могут быть изготовлены с использованием общепринятой планарной или гибридной технологии. Боковой слой p-типа изготавливается или методом встречной диффузии алюминия, или методом термомиграции алюминия.

Конкретное исполнение устройств зависит от условий их последующей эксплуатации.

Использование: в области электротехники и может быть использовано при выпрямлении переменного тока. Сущность изобретения: каждый полупроводниковый выпрямительный элемент по боковой поверхности окружен слоем полупроводникового материала первого типа проводимости (боковой слой), причем от материала второго типа проводимости вышеуказанный слой первого типа проводимости отделен замкнутой разделительной канавкой, пересекающей базовый р-n переход. Канавка выполнена со стороны противолежащей плоскости основания. Изобретение позволяет разместить анодную и катодную группы элементов на общее изолирующее основание, на котором в виде металлических полос выполнены контакты к общим точкам анодной и катодной группы. Верхние контакты объединены попарно от одного катодного и одного анодного элементов. В качестве выпрямительных элементов могут быть использованы диоды, тиристоры, симисторы, оптотиристоры или оптосимисторы. В случае диодов наружная поверхность канавки расположена на границе бокового, например, дырочного слоя и исходного материала. Канавка может быть смещена от периферии. Диодные элементы могут монтироваться в виде отдельных элементов, в виде двух монокристаллических блоков для анодной и катодной групп, изолированных воздушным промежутков, или в виде интегральной схемы. В последнем случае анодная и катодная группы выполнены в одном кристалле с общим боковым слоем p-типа, причем кристалл выполнен с двумя продольными разделительными канавками, наружные части которых расположены на границе общего бокового слоя р-типа и исходного материала. Кроме того, боковой слой p-типа может быть выполнен с центральным изолирующим слоем n-типа, а кристалл выполнен с верхней и нижней продольными разделительными канавками, дно которых расположено в центральном изолирующем слое n-типа. В качестве управляемого полупроводникового выпрямительного элемента может быть использован тиристор, управляемый со стороны анода или тиристор, управляемый со стороны катода. 32 з.п. ф-лы, 41 ил.

1. Полупроводниковый выпрямительный модуль, содержащий металлическое основание, на котором размещена диэлектрическая теплопроводная прокладка с установленными на ней через два токосъема катодами и анодами, выпрямительные элементы катодной и анодной групп, выполненные в виде многослойной полупроводниковой структуры с чередующимся типом проводимости, один из слоев которой является исходным, и дополнительные токосъемы, отличающийся тем, что выпрямительные элементы катодной и анодной групп модуля содержат вертикальный полупроводниковый слой, охватывающий исходный слой многослойной полупроводниковой структуры, с выполненными на его наружной поверхности разделительными замкнутыми канавками, граничащими либо с блокирующим p - n-переходом, либо с исходным полупроводниковым слоем, причем вертикальный полупроводниковый слой и исходный слой многослойной полупроводниковой структуры выполнены из материала с разным типом проводимости. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов использованы диоды. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов использованы тиристоры, управляемые со стороны катода, причем управляющий электрод тиристоров анодной группы установлен на отдельной, изолированной от основания, металлической площадке. 4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов катодной группы использованы тиристоры, управляемые со стороны катода, а в качестве выпрямительных элементов анодной группы использованы тиристоры, управляемые со стороны анода, расположенного на p-эмиттере, причем катод расположен на n-эмиттере, а управляющий электрод частично на p-эмиттере и частично по периферии на замкнутой области n-типа, выходящей за пределы управляющего электрода и выполненной в области p-эмиттера. 5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов катодной группы использованы фототиристоры, управляемые со стороны катода, а в качестве выпрямительных элементов анодной группы фототиристоры, управляемые со стороны анода, установленные катодом через токосъемы на диэлектрической прокладке и имеющие фотоокно на области p-эмиттера, являющейся анодом. 6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов использованы симисторы с двумя основными и управляющим электродами, под которыми расположены области n- и p-типа, а разделительная канавка выполнена между контактами управляющего и основного электродов. 7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве выпрямительных элементов использованы фототиристоры-переключатели переменного тока, управляемые светом с одной плоскости, с зашунтированными крайними p - n-переходами, выполненные с перекрытием проекций крайних слоев n-типа на одну из главных плоскостей модуля в области центрально расположенного фотоокна, сформированного в верхнем основном электроде, причем в области фотоокна выполнены области как n-, так и p-типа, а в области проекции фотоокна на нижнюю плоскость выполнен выступ n-типа. 8. Модуль по п.5 или 7, отличающийся тем, что над каждым выпрямительным элементом установлен один источник света. 9. Модуль по п.8, отличающийся тем, что в качестве источника света использован светодиод. 10. Модуль по п.1, отличающийся тем, что анодная и катодная группы выпрямительных элементов изолированы воздушным промежутком. 11. Модуль по п.1, отличающийся тем, что анодная и катодная группы выпрямительных элементов изолированы кремнийорганическим компаундом. 12. Модуль по п.1, отличающийся тем, что анодная и катодная группы выпрямительных элементов выполнены в виде единой многослойной полупроводниковой структуры с охватывающим вертикальным слоем p-типа проводимости, причем единая многослойная полупроводниковая структура выполнена с двумя продольными нижними канавками, наружные части которых расположены на границе охватывающего вертикального слоя p-типа и исходного слоя n-типа. 13. Модуль по п.1, отличающийся тем, что анодная и катодная группы выпрямительных элементов выполнены в виде единой многослойной полупроводниковой структуры с охватывающим вертикальным слоем p-типа проводимости, который выполнен с центральным изолирующим слоем n-типа, причем единая многослойная полупроводниковая структура выполнена с верхней и нижней продольными разделительными канавками, дно которых расположено в центральном слое n-типа. 14. Модуль по п.4, отличающийся тем, что тиристоры, управляемые со стороны анода, имеют разрывы n-эмиттера, образующие область n-типа так, что проекция управляющего электрода приходится на эту область, причем внутри и снаружи этой области выполнена область p-типа, отделяющая область n-типа от остального n-эмиттера. 15. Модуль по п. 14, отличающийся тем, что область n-типа выполнена с разрывами. 16. Модуль по п.15, отличающийся тем, что протяженность элементов области n-типа между разрывами составляет 0,1 10 W_p, где W_p ширина области p-базы. 17. Модуль по п.5, отличающийся тем, что в области фотоокна фототиристоров анодной группы в объеме области p-эмиттера выполнено не менее одной кольцевой области, разрыв которой ориентирован радиально относительно оси симметрии фотоокна. 18. Модуль по п.17, отличающийся тем, что кольцевая область выполнена в виде области n-типа проводимости. 19. Модуль по п.17, отличающийся тем, что кольцевая область выполнена в виде канавки. 20. Модуль по п.17, отличающийся тем, что глубина кольцевой области составляет не менее величины слоя объемного заряда, возникающего в области p-эмиттера при максимальном обратном напряжении. 21. Модуль по п.17, отличающийся тем, что в области n-эмиттера под областью фотоокна выполнена кольцевая область p-типа проводимости с разрывами, ориентированными радиально относительно оси симметрии кольцевой области. 22. Модуль по п.6, отличающийся тем, что разделительная канавка граничит с областью по меньшей мере одного типа проводимости, не покрытой металлизацией. 23. Модуль по п.22, отличающийся тем, что областью, не покрытой металлизацией, является область, выполненная либо из полупроводника n-типа проводимости, либо из полупроводника как p-, так и n-типа проводимости. 24. Модуль по п.22, отличающийся тем, что глубина канавки лежит в пределах 0,1 0,5 глубины залегания крайнего со стороны области управления эмиттерного перехода. 25. Модуль по п.22, отличающийся тем, что ширина канавки превышает ширину слоя объемного заряда крайнего эмиттерного перехода при максимальном обратном напряжении на управляющем электроде, причем часть канавки, приходящаяся на область n-типа, и часть канавки, приходящаяся на область p-типа, превышает ширину слоя объемного заряда в соответствующей области при упомянутом напряжении. 26. Модуль по п.7, отличающийся тем, что в области n-типа, находящейся на нижней плоскости под фотоокном между осью симметрии и границей выступа n-типа, на нижней плоскости выполнена область p-типа. 27. Модуль по п.26, отличающийся тем, что область p-типа имеет форму или круга, или овала, или части кольца, ось симметрии которых совпадает с осью симметрии области управления. 28. Модуль по п.26 или 27, отличающийся тем, что выступ n-типа на верхней плоскости в области фотоокна снабжен выемкой, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии области управления, причем наиболее удаленная точка выемки расположена между осью симметрии области управления и границей фотоокна. 29. Модуль по п.26 или 27, отличающийся тем, что между областью p-типа на нижней плоскости и областью p-типа под основными контактами выполнен канал p-типа, соединяющий эти области. 30. Модуль по п.26, или 27, или 29, отличающийся тем, что в выступе n-типа на верхней плоскости выполнены концентрично расположенные круговая область и кольцевая область p-типа, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии фотоокна. 31. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ширина разделительной канавки структуры не превышает 1,5 W_n, глубина канавки h ограничена пределами
x_j+Δx_ск<h<x_j+0,5,
где W_n толщина области n-базы;
X_i глубина залегания p n-перехода, образованного базовыми областями;
Δx_ск протяженность компенсированного слоя в области n-базы. 32. Модуль по п.31, отличающийся тем, что дополнительно на внутренней стенке разделительной канавки выполнен уступ, причем ширина ступеньки уступа не менее 1,5 W_о з, глубина уступа не менее x_j+Δx_ск, где W_о з ширина области объемного заряда в области n-базы при максимальном напряжении. 33. Модуль по п.32, отличающийся тем, что ступенька уступа выполнена под углом 1 20^o относительно p-n-перехода, образованного базовыми областями, и пересекает этот переход.