ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДИОД С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ОБРАТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к полупроводниковой импульсной технике, а именно к полупроводниковым прерывателям тока, которые используются в оконечных каскадах генераторов высоковольтных импульсов наносекундного диапазона в качестве прерывателей тока индуктивного накопителя.

Известны высоковольтные диоды с резким восстановлением обратного сопротивления. Такие диоды изготавливаются путем диффузии доноров и акцепторов в полупроводник (обычно Si) n-типа проводимости, так что высокоомный слой n-типа однородно легирован донорами с концентрацией N_d порядка 10¹⁴ см^-3, а слой p-типа неоднородно легирован быстродиффундирующими акцепторами (например, А1). Известно два варианта использования таких диодов в качестве прерывателя тока.

В первом варианте [1] прибор называется SOS-диодом и представляет собой набор последовательно соединенных полупроводниковых структур, каждая из которых содержит слаболегированный слой n-типа и слой р-типа с умеренным легированием, образующие между собой р-n-переход с глубиной залегания х_j= 180-200 мкм. SOS-диод прерывает ток с плотностью порядка 2-10•кА/см² за время порядка 10 нс. Согласно [1] при использовании прибора в качестве SOS-диода глубина залегания р-n-перехода х_j=180-200 мкм является оптимальной. Однако такая конструкция обладает существенным недостатком: изготовление диода с глубиной залегания p-n-перехода 180-200 мкм требует проведения диффузии в течение сотен часов, что резко повышает стоимость прибора.

Во втором, наиболее близком, варианте [2] прибор называется "дрейфовым диодом с резким восстановлением" (ДДРВ). Такой высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления содержит два сильнолегированных слоя противоположного типа проводимости, два слаболегированных слоя, расположенных между сильнолегированными слоями и имеющих типы проводимости, совпадающие с типами проводимости примыкающих к ним сильнолегированных слоев, и двух омических контактов к сильнолегированным слоям (см. фиг.1).

ДДРВ прерывает ток с плотностью порядка qv_sN_d=100 А/см² за время порядка 1 нс, где q - заряд электрона, v_s - насыщенная дрейфовая скорость электрона. Согласно [2] в ДДРВ толщина d_p слаболегированного слоя р-типа должна быть меньше или равна толщине d_n слаболегированного слоя n-типа. Однако при выполнении неравенства d_p≤d_n диод обладает существенным недостатком. Именно в процессе восстановления обратного сопротивления в непосредственной близости от плоскости p-n-перехода начинает образовываться область пространственного заряда (ОПЗ) задолго до полной экстракции электронно-дырочной плазмы из слаболегированных слоев [3]. ОПЗ быстро расширяется (фиг.2), так что к моменту полной экстракции плазмы t_o и началу этапа быстрого восстановления обратного сопротивления на диоде падает значительное напряжение (фиг.3). В результате это приводит к значительным потерям мощности в ДДРВ (фиг.4) и, следовательно, к снижению коэффициента полезного действия генераторов.

Техническим результатом является уменьшение потерь мощности в ДДРВ в процессе восстановления обратного сопротивления и стоимости прибора.

Этот результат достигается тем, что в высоковольтном диоде с резким восстановлением обратного сопротивления, содержащем два сильнолегированных слоя противоположного типа проводимости, два омических контакта к сильнолегированным слоям и два слаболегированных слоя, расположенных между сильнолегированными слоями и имеющих типы проводимости, совпадающие с типами проводимости примыкающих к ним сильнолегированных слоев, толщина слаболегированного слоя р-типа проводимости превышает толщину слаболегированного слоя n-типа проводимости, при этом глубина залегания р-n-перехода не превосходит 170 мкм.

Существенный отличительный признак состоит в том, что толщина слаболегированного слоя p-типа превышает толщину слаболегированного слоя n-типа, при этом глубина залегания р-n-перехода не превосходит 170 мкм.

В известных технических решениях не обнаружены признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа.

При протекании обратного тока в процессе восстановления истощение электронно-дырочной плазмы со стороны сильнолегированного слоя p-типа происходит быстрее, чем со стороны сильнолегированного слоя n-типа из-за различия подвижностей электронов и дырок [4]. Поэтому для предотвращения преждевременного образования ОПЗ вблизи плоскости р-n-перехода в ДДРВ необходимо, чтобы толщина d_p слаболегированного слоя р-типа была заметно больше толщины d_n слаболегированного слоя n-типа. Только при таком соотношении толщин слаболегированных слоев оба этих слоя освобождаются от неравновесной плазмы одновременно или почти одновременно. Более точное соотношение между d_p и d_n не может быть указано в общем случае, так как оно зависит от напряжения пробоя диода, уровня легирования слаболегированных слоев и режима работы диода в генераторе (длительности и амплитуды прямого и обратного токов) и должно быть рассчитано отдельно в каждом конкретном случае. С другой стороны, для эффективной работы ДДРВ нет никакой необходимости изготавливать диффузионный р-n-переход с глубиной залегания x_j>170 мкм. Например, используя для изготовления ДДРВ пластину с исходной толщиной d_o=210 мкм достаточно провести диффузию А1 в Si на глубину 140 мкм при толщине сильнолегированного слоя n-типа 50 мкм, сократив тем самым длительность диффузии в 2 раза, так как время диффузии обычно пропорционально x² _j [4]. Кроме того, структура SOS-диода, описанная в [1], при работе в качестве ДДРВ рассеивает значительную мощность до начала быстрого обрыва тока.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение структуры диода. На фиг.2 приведены расчетные распределения поля в ОПЗ SOS-диода (кривая 1), ДДРВ (кривая 2) и предлагаемого диода (кривая 3) к моменту начала резкого обрыва тока. На фиг.3 приведены расчетные вольт-секундные характеристики SOS-диода (кривая 1), ДДРВ (кривая 2) и предлагаемого диода (кривая 3) при работе в качестве прерывателей тока индуктивного накопителя; начало быстрого обрыва тока отмечено точками. На фиг.4 приведены расчетные зависимости мощности, рассеиваемой SOS-диодом (кривая 1), ДДРВ (кривая 2) и предлагаемым диодом (кривая 3), от времени при работе в качестве прерывателей тока индуктивного накопителя.

Диод состоит из двух сильнолегированных слоев 1 и 2 противоположного типа проводимости, двух слаболегированных слоев 3 и 4, расположенных между сильнолегированными слоями и имеющих типы проводимости, совпадающие с типами проводимости примыкающих к ним сильнолегированных слоев, и двух омических контактов 5 и 6 к сильнолегированным слоям.

Материал настоящей заявки основан на результатах моделирования работы ДДРВ с различными профилями легирования в качестве прерывателя тока индуктивного накопителя. Оказалось, что необходимым условием эффективной работы ДДРВ является выполнение неравенства d_p>d_n, но при этом нет необходимости использовать р-n-переход с глубиной залегания х_j>170 мкм. Выполнение этого неравенства при прочих равных условиях позволяет в несколько раз уменьшить мощность потерь прибора (по сравнению с известным ДДРВ) и снизить его стоимость (по сравнению с известным SOS-диодом).

В основе работы диода лежит физический процесс накопления и экстракции неравновесных носителей заряда в слаболегированных слоях при протекании прямого и обратного тока соответственно. Процесс экстракции характеризуется тем, что сначала плазма удаляется из областей, прилегающих к сильнолегированным слоям. Далее, эти области, свободные от биполярной плазмы, расширяются по направлению к p-n-переходу до тех пор, пока одна из них или обе не достигнут р-n-перехода. Важно отметить, что из-за различия подвижностей электронов и дырок скорость движения границы плазмы к р-n-переходу со стороны р-слоя больше, чем со стороны n-слоя. В этот момент заканчивается фаза высокой обратной проводимости и начинается процесс восстановления обратного сопротивления. Если в этот момент от плазмы освободился лишь один из слаболегированных слоев, то восстановление обратного сопротивления (и рост напряжения на диоде) происходит сравнительно медленно до полной экстракции неравновесной плазмы и лишь после этого происходит резкий обрыв тока, необходимый для работы генераторов. Во время стадии медленного восстановления обратного сопротивления диод рассеивает значительную мощность, что приводит к снижению КПД генератора. Поэтому крайне желательно сократить эту стадию до минимума или вообще исключить. Очевидно, что для этого необходимо сконструировать диод так, чтобы от неравновесной плазмы оба слаболегированных слоя освободились одновременно. Этого можно добиться, если толщина р-слоя будет больше, чем толщина n-слоя, поскольку, как известно [5], из-за различия подвижностей электронов и дырок скорость движения границы плазмы к р-n-переходу со стороны р-слоя больше, чем со стороны n-слоя. Этот вывод был подтвержден путем расчетов процесса восстановления ДДРВ с различными профилями легирования, выполненных с помощью программы для численного моделирования полупроводниковых приборов "Исследование", подробно описанной в работах [6,7].

В качестве примера конкретного выполнения на фиг.2-4 и в таблице приведены результаты моделирования процесса обрыва тока тремя различными приборами - аналогом (SOS-диодом), прототипом и предлагаемым диодом в двухтактном генераторе импульсов с индуктивным накопителем, описанном в работе [3]. Основные параметры приборов и контуров, принятые при расчете, приведены в таблице.

Как видно из фиг.2, к моменту начала резкого обрыва тока (точки a, b и с на фиг.3) и в SOS-диоде (кривая 1 на фиг.2), и в прототипе (кривая 2 на фиг. 2) образуется ОПЗ, в которой напряженность поля достигает нескольких десятков киловольт на сантиметр. Это приводит к тому, что во время "медленного" восстановления обратного сопротивления на приборах падает значительная часть полного напряжения выходного импульса (кривые 1,2 на фиг.3) и рассеивается значительная мощность (кривые 1,2 на фиг.4). В то же время при восстановлении предлагаемого диода ОПЗ отсутствует вплоть до начала резкого обрыва тока, фаза "медленного" восстановления обратного сопротивления практически отсутствует (кривая 3 на фиг.3), поэтому рассеиваемая мощность (и энергия за один цикл восстановления) оказывается в несколько раз меньшей (кривая 3 на фиг. 4).

Литература
1. Патент РФ 2156014, кл. H 01 L 29/86, публ. 10.09.2000 г.

2. Патент РФ 1581149 (прототип), кл. H 01 L 29/04, публ. 15.09.1994 г.

3. Грехов И.В., Тучкевич В.М. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988.

4. Болтакс Б.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Л.: Наука, 1972.

5. Н. Benda, E. Spenke, Proc. IEEE, v.55, N 8, pp.1331-1354 (1967).

6. Мнацаканов Т.Т., Ростовцев И.Л., Филатов Н.И. Радиотехника и электроника, т.31, 9, 1848-1853 (1986).

7. Мнацаканов Т.Т., Ростовцев И.Л., Филатов Н.И. Электронное моделирование, т.8, 1, 40-43 (1986).

Использование: в полупроводниковой импульсной технике, а именно в полупроводниковых прерывателях тока, которые используются в оконечных каскадах генераторов высоковольтных импульсов наносекундного диапазона в качестве прерывателей тока индуктивного накопителя. Сущность изобретения: в высоковольтном диоде с резким восстановлением обратного сопротивления, который содержит два сильнолегированных слоя противоположного типа проводимости, два омических контакта к сильнолегированным слоям и два слаболегированных слоя, расположенных между сильнолегированными слоями и имеющих типы проводимости, совпадающие с типами проводимости примыкающих к ним сильнолегированных слоев, толщина слаболегированного слоя р-типа проводимости превышает толщину слаболегированного слоя n-типа проводимости, при этом глубина залегания p-n-перехода не превосходит 170 мкм. Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь мощности в дрейфовом диоде с резким восстановлением в процессе восстановления обратного сопротивления. 4 ил., 1 табл.

Высоковольтный диод с резким восстановлением обратного сопротивления, содержащий два сильнолегированных слоя противоположного типа проводимости, два омических контакта к сильнолегированным слоям и два слаболегированных слоя, расположенных между сильнолегированными слоями и имеющих типы проводимости, совпадающие с типами проводимости примыкающих к ним сильнолегированных слоев, отличающийся тем, что толщина слаболегированного слоя р-типа проводимости превышает толщину слаболегированного слоя n-типа проводимости, при этом глубина залегания р-n-перехода не превосходит 170 мкм.