СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ ТИРИСТОРОВ И ДИОДОВ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении тиристоров и диодов.

Регулирование величины напряжения (U) в открытом состоянии тиристоров и диодов осуществляется с целью увеличения их быстродействия (снижения времени выключения tg для тиристоров или заряда обратного восстановления Q_rr для тиристоров и диодов) или снижения разницы в значениях U у тиристоров или диодов изготавливаемой партии, что необходимо при их использовании, например, при параллельном соединении. В первом случае, как правило, U₃ задается равным импульсному напряжению в открытом состоянии U. Регулирование U у тиристоров обычно осуществляется путем регулирования (уменьшения) времени жизни неравновесных носителей заряда (н.н.з.) в эффективной базовой области -(τ). Для этого используют диффузию золота, платины или радиационные методы электронного, протонного или γ- облучения.

Известен способ [1] уменьшения τ в полупроводниковых приборах путем проведения диффузии платины. При использовании этого способа процент выхода годных приборов и воспроизводимость их параметров возрастает по сравнению с использованием диффузии золота на несколько процентов.

Недостатком данного способа является то, что перед проведением диффузии исходное состояние для каждой полупроводниковой структуры неизвестно и, хотя они могут существенно различаться, режим диффузии устанавливается единым для всей партии. Поэтому значения U у большинства изготовленных выпрямительных элементов (в.э.) существенно отличаются от U₃.

Известен способ [2] регулирования U на в.э. тиристоров, заключающийся в облучении партии их в. э. потоком быстрых электронов. При использовании данного способа на каждом в.э. до облучения контролируют исходные значения U_o.i. при заданном значении амплитуды анодного тока в открытом состоянии (I₃) τ_oi и устанавливают дозу облучения для i-того в.э. φ_1i из соотношений:
U₃-ΔU₃≤U_ki≤U₃+ΔU₃, (3)

,
где
U₃ - величина требуемого U у в.э. облучаемой партии после облучения, измеренная при I₃;
U_ki - фактическое значение U_i-того в.э. после облучения, измеренное при I₃;
ΔU₃- допустимая величина отклонения U_ki от U₃;
ξ- максимальное значение коэффициента, которое для тиристоров и диодов облучаемого типа предварительно определяют на других в.э.;
K - постоянная Больцмана;
T - температура в.э. при измерении;
W - ширина эффективной базовой области;
q - заряд электрона;
L_oi, τ_oi- диффузионная длина и время жизни н.н.з. i-того в.э. до облучения;
D^* - амбиполярный коэффициент диффузии;
K_τ- максимальное значение коэффициента деградации времени жизни н.н.з. (τ) для в. э. облучаемого типа в используемом режиме облучения, предварительно определенное на других в.э.

Недостатком данного способа является то, что ξ и K_τ определяются заранее на других в.э. тиристоров данного типа и считаются едиными для всех в.э. данного типа. Фактически значения ξ и K_τ даже у в.э. одного типа тиристоров могут существенно различаться, что обусловлено различиями геометрических и электрофизических параметров p-n-p-n-структур, возникающих из-за неполной воспроизводимости режимов технологических операций в процессе производства тиристоров. Поэтому и при использовании этого метода много в.э. после облучения имеют недопустимые отличия величины U_ki от U₃, что не позволяет достичь у них требуемых значений t_q, Q_rr и использовать их при параллельном соединении.

Предлагается способ регулирования величины напряжения в открытом состоянии тиристоров и диодов, устраняющий перечисленные выше недостатки. Способ заключается в том, что в известном способе, состоящем в облучении партии выпрямительных элементов, на каждом i-том из которых предварительно определяют U(U_oi) при заданном значении амплитуды анодного тока в открытом состоянии (I₃) и время жизни неравновесных носителей заряда в эффективной базовой области τ(τ_oi), потоком быстрых электронов, γ- квантов или протонов, величину дозы которого для i-того выпрямительного элемента (φ_1i) определяют из соотношений:
U₃-ΔU₃≤U_ki≤U₃+ΔU₃, (1)


и у каждого i-того выпрямительного элемента после облучения контролируют U (U_1i) при I₃ и τ(τ_1i), и на тиристорах и диодах, неудовлетворяющих условию (1), проводят повторное облучение, при котором величина дозы облучения i-того выпрямительного элемента (φ_2i) удовлетворяет соотношениям:
U₃-ΔU₃≤U_ki≤U₃+ΔU₃, (1)






где
L_1i - диффузионная длина неосновных носителей заряда i-того выпрямительного элемента после первого облучения;
L_2i - диффузионная длина неосновных носителей заряда i-того выпрямительного элемента после второго облучения;
коэффициент деградации времени жизни в процессе электронного облучения у i-того выпрямительного элемента;
a_i - коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров p-n-p-n-структуры i-того выпрямительного элемента;
τ_2i- - требуемое значение τ после повторного облучения i-того выпрямительного элемента.

При использовании данного способа осуществляется контроль не только исходного состояния U_oi, τ_oi выпрямительных элементов перед облучением, но и определяется скорость роста U и у каждого i-того выпрямительного элемента при облучении в заданном режиме.

В соответствии с [3] U при высоком уровне инжекции в широкой базовой области тиристора определяется тремя составляющими:
U_t = U_j + U₁ + U₂,
где
U_i - суммарное падение напряжения на p-n-переходах тиристора;
U₁ - составляющая падения напряжения на базовой области, обусловленная электрическим полем;
U₂ - составляющая падения напряжения, обусловленная взаимным рассеянием подвижных носителей заряда.

Значения U_j и U₂ слабо изменяются при изменении τ, а U₁ можно представить в виде соотношения
U₁=a_oe^w/2L , (11)
где
a_о - коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров p-n-p-n-структуры;
W - ширина эффективной базовой области p-n-p-n-структуры;
L - диффузионная длина н.н.з. в эффективной базовой области;
a_о слабо зависит от τ, поэтому изменение U у i-того в.э. в процессе облучения с высокой степенью точности можно описать соотношением

Изменение τ в процессе облучения для i-того в.э. описывается соотношением

где
зависит от геометрических и электрофизических параметров p-n-p-n-структуры тиристоров и режимов облучения.

Из соотношений (12), (13) можно определить коэффициенты a_i и , которые характеризуют изменение U в процессе облучения для каждого i-того в.э. Изменение U и τ в процессе повторного облучения с учетом соотношений (1), (12) и (13) будут описываться соотношениями:



С целью опробывания вышеописанного способа была изготовлена партия выпрямительных элементов тиристоров типа ТБ371-250 в количестве 70 штук. Полупроводниковая p-n-p-n-структура изготавливалась из кремния марки КОФ 44-50, имела толщину 380 мкм и глубину p-n-переходов по 80 мкм. Выпрямительные элементы изготавливались на АО "Электровыпрямитель" по серийному технологическому процессу. До проведения облучения на каждом выпрямительном элементе проводилось измерение U_oi при токе I₃=250•π(A) и τ_oi. Для расчета режима облучения U₃ принималось равным 1,7В, а ΔU₃-0,05В. Облучение проводилось на установке радиационно-физической БОИС-8. Максимальная плотность потока электронов составляла при облучении 8,88 • 10¹⁰ эл/(см² • с). Распределение относительной интенсивности потока электронов по облучаемой площади приведено в табл.1.

Электроны при облучении имели сплошной спектр энергии от 0,4 до 2,0 МэВ с максимумом в районе 1,5 МэВ. До проведения облучения исследуемой партии на тиристорах этого же типа проводилось облучение на установке БОИС-8 и рассчитывалось значение величин : a_i и K_τi, исходя из которых устанавливались соответствующие значения a и K_τ для выпрямительных элементов и проводилось облучение. Исходные значения U_oi, τ_oi , фактическое время облучения, место расположения образца на лодочке при облучении в БОИС-8 (строка и столбец), реальное и приведенное время облучения (с учетом распределения интенсивности потока по площади лодочки) приведены в табл. 2. Там же приведены результаты измерений U и τ после облучения (U_1i и τ_1i соответственно) и рассчитанные значения a_i и Из данных табл. 2 следует, что только 5 выпрямительных элементов (7% от общего числа) тиристоров имеют после облучения значения U, удовлетворяющие условию (1). С целью доведения значений U у выпрямительных элементов до требуемых значений из соотношений (1), (4) - (9) были рассчитаны необходимые значения времени повторного облучения.

Расчетные значения времени повторного облучения, место расположения выпрямительного образца при этом, реальное и приведенное время облучения приведены в табл. 2. Там же приведены в результате измерения U_ki после повторного облучения.

Из полученных результатов следует, что после повторного облучения только один выпрямительный элемент (1,5% общего числа) не удовлетворяет условию (1), что свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа.

Источники информации:
1. Патент США N 3640783, кл. 148 - 186, заявка N 848928 от 11.08.69, заявитель США TRW Inc. опубл. 08.02.72.

2. Асина С.С., Сурма А.М., Кузнецов В.М., Аксенов В.Е. Роль отжига после электронного облучения при регулировании характеристик мощных тиристоров. - Электротехническая промышленность. Сер. "Преобразовательная техника", 1984, вып. 12(170), стр. 11 - 13.

3. Расчет силовых полупроводниковых приборов./Под ред. В.А. Кузьмина - М.: Энергия, 1980, [4 - 5].

Использование: силовая полупроводниковая техника. Сущность изобретения: способ регулирования величины напряжения в открытом состоянии тиристоров и диодов заключается в облучении партии выпрямительных элементов (в.э.) потоком быстрых электронов, γ - квантов или протонов, при этом на каждом i-том выпрямительном элементе предварительно определяют U, при заданном I₃, и τ, а величину дозы облучения Φ_1i определяют из соотношений:
U₃ - ΔU₃ ≤ U_ki≤ U₃+ΔU₃ ;


где U₃ - величина U_в.э. при I₃ U_ki - фактическое значение U i-того в.э. после облучения при I₃; ΔU - допустимая величина отклонения U_ki от U₃; ξ - максимальное значение коэффициента для тиристоров или диодов при облучении, которое предварительно определяется на других в.э. этого же типа; К - постоянная Больцмана; T - температура в.э. при измерении U; W - ширина эффективной базовой области; L_oi, τ_0i --диффузионная длина и время жизни н.н.з. в эффективной базовой области i-того в.э. до облучения; K_τ - максимальное значение коэффициента деградации времени жизни неосновных носителей заряда н.н.з., предварительно определенное на других в.э.; D^* - амбиполярный коэффициент диффузии. На в.э. неудовлетворяющих условию (1) у каждого i-того в.э. после облучения контролируют U при I₃ и τ и проводят повторное облучение, величина дозы которого для каждого i-того в.э. должна удовлетворять соотношениям (1)





2 табл.

Способ регулирования величины напряжения U в открытом состоянии тиристоров и диодов, заключающийся в облучении партии их выпрямительных элементов, на каждом i-м из которых предварительно определяют U (U_oi) при заданном значении амплитуды I₃ анодного тока в открытом состоянии и время τ(τ_oi) жизни неравновесных носителей заряда в эффективной базовой области потоком быстрых электронов, γ - квантов или протонов, величину дозы которого для i-го выпрямительного элемента φ_1i определяют из соотношений

где U₃ - величина требуемого U у выпрямительного элемента облучаемой партии, измеренная при I₃;
U_ki - фактическое значение U i-го выпрямительного элемента после облучения, измеренное при I₃;
ΔU₃ - допустимая величина отклонения U_ki от U₃;
ζ - максимальное значение коэффициента для тиристоров или диодов при облучении, которое предварительно определяется на других выпрямительных элементах этого же типа;
K - постоянная Больцмана;
T - температура выпрямительного элемента при измерении U;
q - заряд электрона;
W - ширина эффективной базовой области;
L_oi, τ_oi - диффузионная длина и время жизни неравновесных носителей заряда в эффективной базовой области i-го выпрямительного элемента до облучения;
Kτ - максимальное значение коэффициента деградации времени жизни неравновесных носителей заряда для выпрямительных элементов облучаемого типа в используемом режиме облучения, предварительно определенное на других выпрямительных элементах;
D^* - амбиполярный коэффициент диффузии,
отличающийся тем, что на тиристорах и диодах, неудовлетворяющих условию I, у каждого i-го выпрямительного элемента после облучения контролируют U (U_1i) при I₃ и τ(τ_1i) и проводят повторное облучение, при котором величина φ_2i дозы облучения i-го выпрямительного элемента удовлетворяет соотношениям
U₃-ΔU₃≤ U_ki≤ U₃+ΔU₃;






где L_1i - диффузионная длина неравновесных носителей заряда i-го выпрямительного элемента после первого облучения;
L_2i - диффузионная длина неравновесных носителей заряда i-го выпрямительного элемента после второго облучения;
K_τi - коэффициент деградации времени жизни в процессе электронного облучения у i-го выпрямительного облучения;
a_i - коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров p-n - p-n-структуры i-го выпрямительного элемента;
τ_2i - требуемое значение τ после повторного облучения у i-го выпрямительного элемента.