ЗАПИРАЕМЫЙ ТИРИСТОР С ЗАПИРАЮЩИМ СЛОЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к области силовой полупроводниковой технологии. Оно вытекает из запираемого тиристора или GTO (двухоперационного триодного тиристора) согласно ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Подобный GTO (двухоперационный триодный тиристор) содержит по существу nрnр-четырехслойную структуру, а также запирающий слой со стороны анода и описывается, например, в немецком выложенном описании изобретения к неакцептованной заявке DE 4313170 A1. Другие GTO с запирающим слоем известны из патента США US 5028974 и DE 4431294 А1.

Отключающие тиристоры с запирающим слоем и однородным анодным эмиттером с низкой эффективностью, которые, например, известны из названного DE 43 13 170 A1, производятся обычным способом с цельноплоскостным запирающим слоем и цельноплоскостным анодным эмиттером. В таком случае в запертом состоянии между анодом и управляющим электродом такого элемента течет определенный запирающий ток. В области пространственного заряда формируются носители заряда. Возникающие таким образом дырки текут через вывод управляющего электрода, электроны - через анод. Таким образом, при цельноплоскостной реализации запирающего слоя и анодного эмиттера GTO представляет собой транзистор с открытой базой. Отводящиеся через анод электроны ведут к падению напряжения на анодном эмиттере. С другой стороны, это ведет к инжекции дырок. Поэтому генерируемый в области пространственного заряда запирающий ток усиливается.

Запирающий ток ведет к нагреванию GTO. В краевой области охлаждение кремниевой пластины снижено. Поэтому это может привести к неконтролируемому повышению температуры в этой области. Это ведет к дальнейшему увеличению запирающего тока. В целом описанная проблема может привести к термическому разгону и в худшем случае к выходу элемента из строя.

Задачей изобретения поэтому является указать запираемый тиристор (GTO), который в своей краевой замыкающей области является, в частности, стабильным и может надежно функционировать в любом режиме эксплуатации. Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Ядром изобретения является, таким образом, то, что в краевой области предусмотрены средства, которые связывают запирающий слой с анодом. Благодаря этому GТО в закрытом состоянии в краевой области имеет структуру диода, и описанное выше усиление запирающего тока устраняется. Термическая нагрузка в краевой области уменьшается и узел выдерживает при заданном напряжении более высокую рабочую температуру.

Первый пример реализации отличается тем, что в краевой области предусмотрен участок короткого замыкания, который связан с анодом и замыкает накоротко запирающий слой с анодом. Во втором примере реализации анодный эмиттер реализован не цельноплоскостным, а замещен в краевой области на связанный с анодом запирающий слой.

Далее изобретение более детально пояснено при помощи примеров реализации со ссылкой на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - GTO с запирающим слоем со стороны анода согласно уровню техники;
Фиг.2 - cоответствующий изобретению GTO согласно пеовому примеру реализации;
Фиг.3 - cоответствующий изобретению GTO согласно второму примеру реализации.

Используемые на чертежах условные обозначения и их значения приведены в списке условных обозначений. Принципиальным является то, что одинаковые части на фигурах снабжены одинаковыми условными обозначениями.

На фигуре 1 представлен разрез соответствующего уровню техники запираемого тиристора или GTO. В теле полупроводника расположено несколько различно легированных слоев, которые образуют по существу npnp-структуру тиристора. N-легированные области заштрихованы линиями, проходящими сверху справа вниз налево, р-легированные области - линиями, проходящими сверху слева вниз направо, а участки металлизации - горизонтальными короткими штрихами. Плотность штриховки может интерпретироваться как степень концентрации примесей. От основной анодной поверхности следуют р+-легированный анодный эмиттер 5, n-легированный запирающий слой 6, n-легированная n-база 4, р-легированная р-база 3 и n+-легированные области катодного эмиттера 2. Последние соединены с образованным металлизацией катодом 8. Области 2 катодного эмиттера могут быть реализованы, как представлено, выступающими или же интегрированными в р-базу 3. Между областями катодного эмиттера 2 образованный металлизацией управляющий электрод 10 соединяется с р-базой 3. Для того, чтобы избежать превышения поля на краю GTO и сделать узел более надежным для эксплуатации при высоких напряжениях, со стороны краев предусмотрена так называемая краевая замыкающая область 7. В этой области нет больше катодных эмиттеров 2 и полупроводниковая пластина может быть, в частности, скошена.

Такие запираемые тиристоры с запирающим слоем 6 и однородным анодным эмиттером 5 в настоящее время производятся с цельноплоскостным запирающим слоем 6 и цельноплоскостным анодным эмиттером 5. Кроме того, анодный эмиттер 5 является преимущественно низкоэффективным. В таком случае в запертом состоянии между анодом и управляющим электродом такого элемента течет определенный запирающий ток. В области пространственного заряда генерируются носители заряда. Возникающие таким образом дырки отводятся через вывод управляющего электрода, электроны - через анод. Таким образом, при цельноплоскостной реализации запирающего слоя и анодного эмиттера запираемый GТО представляет собой транзистор с открытой базой. Стекающие через анод электроны приводят к падению напряжения на анодном эмиттере. Это вновь ведет к инжекции дырок. Вследствие этого генерируемый в области пространственного заряда запирающий ток дополнительно усиливается.

Запирающий ток ведет к нагреву GTO. В краевой замыкающей области охлаждение кремниевого слоя, однако, снижено. В результате в данной области это может привести к неконтpолируемому повышению температуры. Это ведет к дальнейшему росту запирающего тока. В итоге описанная проблема может привести к термическому разгону и в наихудшем случае к выходу элемента из строя.

Поэтому согласно изобретению в краевой замыкающей области предусматриваются, как показано на фиг.2 и 3, средства, которые связывают запирающий слой с анодом. Согласно примеру реализации, отображенному на фигуре 2, средства включают область 11 короткого замыкания, которая связана с запирающим слоем 6 и замыкает его накоротко с анодом 9. Легирование области 11 короткого замыкания должно, по меньшей мере, компенсировать легирование анодного эмиттера 5, это значит, что область короткого замыкания в целом должна быть n+-легированной. Запирающая структура в краевой замыкающей области 7 представляет собой, таким образом, диод. Благодаря этому в этой области устраняется усиление запирающего тока. Поэтому термическая нагрузка в краевой области снижается. Следовательно, эксплуатационная температура при заданном напряжении может быть повышена.

На фигуре 3 представлено другое решение. В данном случае анодный эмиттер 5 реализуется не цельноплоскостным, так что запирающий слой 6 доходит до основной пластины со стороны анода и непосредственно замыкается на анод 9. Таким образом, в данном случае запирающий слой 6 замыкается накоротко на анод 9. Короткое замыкание может, к примеру, осуществляться одновременно с образованием эмиттера со стороны катода. В целом, благодаря изобретению получается GTO, который термически может нагружаться сильнее, таким образом, является более надежным и требует меньшего охлаждения. Соответствующий изобретению GТО, в частности, в своей краевой замыкающей области является термически стабильным и в любом режиме эксплуатации может функционировать более надежно.

Использование: в области силовой полупроводниковой технологии. Сущность изобретения: в запираемом тиристоре с однородным анодным эмиттером и запирающим слоем в краевой замыкающей области предусмотрены средства, которые накоротко замыкают запирающий слой с анодом. Вследствие этого в запертом состоянии тиристор в краевой области имеет структуру диода и усиление запирающего тока устраняется. Термическая нагрузка в краевой области уменьшается и элемент выдерживает при заданном напряжении более высокую температуру эксплуатации, что является техническим результатом изобретения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Запираемый тиристор (GTO) с запирающим слоем, включающий в свой состав npnp-четырехслойную структуру в теле полупроводника с областями (2) катодного эмиттера, р-базой (3), n-базой (4) и однородным анодным эмиттером (5), более сильно по сравнению с n-базой (4) легированный запирающий слой (6), который расположен между n-базой (4) и анодным эмиттером (5), краевую замыкающую область (7), в которой отсутствуют области катодных эмиттеров и которая, в частности, имеет скос, катод (8), контактирующий с областями (2) катодных эмиттеров, анод (9), контактирующий с анодным эмиттером (5), и управляющий электрод (10), контактирующий с р-базой (3), отличающийся тем, что в краевой замыкающей области (7) предусмотрены средства, связывающие и замыкающие накоротко запирающий слой (6) с анодом (9). 2. Запираемый тиристор с запирающим слоем по п.1, отличающийся тем, что в краевой замыкающей области (7) предусмотрена область (11) короткого замыкания, которая соединена с анодом (9) и накоротко замыкает запирающий слой (6) с анодом (9). 3. Запираемый тиристор с запирающим слоем по п.1, отличающийся тем, что анодный эмиттер (5) выполнен не цельноплоскостным и в краевой замыкающей области (7) замещен запирающим слоем, связанным с анодом (9).