МОЩНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОР Российский патент 2005 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к области электронной техники.

Известен мощный быстродействующий тиристор с регенеративным управлением, содержащий четыре полупроводниковых слоя, расположенных один на другом, причем первый слой выбран с первым типом проводимости, имеет толщину меньше толщины второго слоя и расположен во втором слое, второй слой выбран со вторым типом проводимости, третий слой - с первым типом проводимости, четвертый слой - со вторым типом проводимости [1].

Недостатком известного технического решения, выбранного в качестве прототипа, является значительная доля энергии потерь в процессе обратного восстановления прибора (процессе восстановления обратной блокирующей характеристики при коммутации тиристора из проводящего в блокирующее состояние).

Целью изобретения является оптимизация мощностных характеристик прибора при сохранении высокого быстродействия за счет уменьшения доли энергии потерь при обратном восстановлении, приходящуюся на единицу площади участка полупроводниковой пластины.

Поставленная цель достигается тем, что в мощном быстродействующем тиристоре, включающем четыре полупроводниковых слоя, нанесенных один на другой, металлические катод и анод, выполненные на внешних поверхностях первого и четвертого слоев соответственно, причем первый и третий слои имеют первый тип проводимости, второй и четвертый слои имеют второй тип проводимости, а третий слой содержит неравномерно распределенные по его толщине рекомбинационные центры носителей заряда, второй слой выполнен из материала с меньшим минимальным удельным электрическим сопротивлением, чем материал третьего слоя, пограничная со вторым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое; пограничная с четвертым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит большее количество рекомбинационных центров, чем пограничная со вторым слоем область третьего слоя, но не более 90% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, причем распределение концентрации рекомбинационных центров N_t(X) в средней части третьего слоя между двумя пограничными областями удовлетворяет следующему условию:

где X - координата рекомбинационного центра, определяющая удаление рекомбинационного центра от границы между вторым и третьим полупроводниковыми слоями, мм;

X^* - толщина области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, которая содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, мм;

X^** - координата границы между областью третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, и оставшейся частью третьего слоя, равная толщине третьего полупроводниковых слоя за вычетом толщины пограничной с четвертым полупроводниковым слоем области третьего полупроводникового слоя, мм;

N_t ^* - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, см^-3;

N_t ^** - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, см^-3.

На чертеже представлена схема структуры мощного быстродействующего тиристора и график распределения концентраций рекомбинационных центров.

Мощный быстродействующий тиристор содержит четыре полупроводниковых слоя 1, 2, 3 и 4. Первый слой 1 выбран с первым, например n-типом проводимости. Второй слой 2 нанесен на первый слой 1 и выбран со вторым, например p-типом проводимости. Третий слой 3 нанесен на второй слой 2 и выбран с первым, например n-типом проводимости. Четвертый слой 4 нанесен на третий слой 3 и выбран со вторым, например p-типом проводимости. На внешней поверхности первого слоя 1 выполнен металлический катод 5, а на внешней поверхности четвертого слоя 4 выполнен металлический анод 6.

Принцип действия предлагаемого технического решения основан на эффекте относительного снижения концентрации избыточных электронно-дырочных пар в слоях тиристорной структуры, содержащих повышенное количество рекомбинационных центров.

Когда тиристорная структура функционирует во включенном состоянии, то в ее базовых слоях 2 и 3 накапливаются избыточные носители заряда - электроны и дырки, инжектированные из эмиттерных слоев. Эти электроны и дырки участвуют в проведении тока, что обеспечивает относительно низкое остаточное падение напряжения на включенной тиристорной структуре даже при высоких плотностях тока (100-1000 А/см²). Наличие избыточных электронно-дырочных пар, однако, негативно сказывается на частотных характеристиках тиристора. При этом от концентрации избыточных электронно-дырочных пар в области слаболегированного базового слоя 3, пограничной с эмиттером (слой 4), наиболее сильно зависят такие характеристики тиристора, как время и заряд обратного восстановления, а следовательно, энергия потерь при обратном восстановлении. При прочих равных условиях увеличение концентрации избыточных электронно-дырочных пар в этой области приводит к увеличению значений перечисленных выше электрических параметров прибора. От концентрации избыточных электронно-дырочных пар в области слаболегированного базового слоя 3, пограничной с более сильнолегированным базовым слоем 2, наиболее сильно зависит такая характеристика тиристора, как время выключения, причем при прочих равных условиях увеличение концентрации избыточных электронно-дырочных пар в этой области приводит к увеличению значения этого параметра. Значение падения напряжения тиристора во включенном состоянии наиболее сильно зависит от концентрации избыточных электронно-дырочных пар в центральной области слаболегированного базового слоя 3, причем увеличение концентрации электронно-дырочных пар в этой области приводит к уменьшению значения падения напряжения во включенном состоянии.

Таким образом, чтобы уменьшить значения времени и заряда обратного восстановления, а также времени выключения при минимальном увеличении падения напряжения во включенном состоянии, нужно уменьшать концентрацию избыточных носителей заряда в пограничных областях слоя 3 и по возможности сохранять ее в центральной области слоя 3. В предлагаемом решении это реализуется за счет неравномерного распределения рекомбинационных центров по толщине слоя 3.

Мощный быстродействующий тиристор работает следующим образом.

При проведении тока во включенном состоянии происходит инжекция избыточных носителей заряда - электронов и дырок - из эмиттерных слоев 1 и 4 тиристорной структуры в базовые слои 2 и 3. За счет диффузии и дрейфа избыточные носители заряда перемещаются от эмиттерных рп-переходов j1 и j3 вглубь базовых слоев 2 и 3. Так как базовые слои 2 и 3 содержат рекомбинационные центры, то процессы переноса избыточных носителей заряда сопровождаются процессом рекомбинации. Поэтому концентрация избыточных электронно-дырочных пар уменьшается по мере удаления от эмиттерных рп-переходов к центральным областям полупроводниковой структуры.

Конструкция и технология изготовления современных тиристорных структур такова, что базовые слои 2 и 3 отличаются друг от друга по удельному электрическому сопротивлению материала и толщине. Базовый слой 3 изготовлен из наиболее высокоомного материала и имеет наибольшую толщину. Именно этот слой содержит основное количество избыточных электронно-дырочных пар, накопленных в тиристорной структуре при проведении тока, причем за счет описанных выше процессов переноса и рекомбинации концентрация избыточных носителей заряда в пограничных областях этого слоя больше, чем в центральной области. Увеличивая количество рекомбинационных центров в пограничных областях этого слоя и уменьшая это количество в центральной области, например, по сравнению с равномерным распределением рекомбинационных центров, можно добиться выравнивания распределения избыточных носителей заряда по толщине слоя. Концентрация избыточных носителей заряда в пограничных областях при этом уменьшается, а в центральной области возрастет. Соответственно, удерживая на некотором постоянном уровне значение минимальной концентрации избыточных носителей заряда, от которого зависит падение напряжения во включенном состоянии, можно уменьшить общее количество избыточных носителей заряда в слое.

При коммутации тиристора из включенного в выключенное состояние вначале протекает процесс восстановления запорных свойств pп-пepexoдa j3 (процесс обратного восстановления). Этот рп-переход обеспечивает блокирующие свойства тиристора по обратному напряжению. С точки зрения протекающих физических процессов обратное восстановление тиристора может быть условно разделено на две стадии: диодную и триодную.

В течение диодной стадии в обеих базах прибора наблюдается высокий уровень концентрации избыточных носителей, т.е. концентрация избыточных электронно-дырочных пар больше, чем равновесная концентрация носителей заряда. Процессы, протекающие в структуре тиристора, при этом аналогичны процессам при обратном восстановлении p-i-n диода. Та часть заряда обратного восстановления тиристора, которая приходится на диодную стадию восстановления, определяется, в основном, количеством избыточных электронно-дырочных пар, накопленных в слое 3 тиристорной структуры в то время, когда тиристор находился во включенном состоянии. Таким образом, минимизация этого количества избыточных носителей заряда приводит к минимизации соответствующей части заряда обратного восстановления.

В течение триодной стадии в слое 2 (или, по крайней мере, его части) наблюдается малый уровень концентрации избыточных носителей заряда. При этом рп-переход j2 начинает инжектировать в слой 3 не основные для этого слоя носители заряда, которые экстрагируются рп-переходом j3. При низком уровне концентрации избыточных носителей заряда в слое 2 коэффициент инжекции перехода j2 близок к единице, поэтому на триодной стадии уменьшение остаточного количества избыточных электронно-дырочных пар в слое 3 и, соответственно, тока обратного восстановления происходит, в основном, за счет рекомбинации. Триодная стадия восстановления протекает, как правило, уже при полностью приложенном к рп-переходу j3 обратном напряжении и, следовательно, сформировавшейся области пространственного заряда этого рп-перехода, которая занимает большую часть толщины слоя 3. Оставшиеся избыточные электронно-дырочные пары при этом локализованы в части слоя 3, пограничной со слоем 2, ширина которой обычно не превышает 20% от общей ширины слоя 3. Таким образом, часть заряда обратного восстановления, приходящаяся на триодную стадию, зависит от скорости рекомбинации в части слоя 3, пограничной со слоем 2. Увеличение количества рекомбинационных центров в этой области позволяет снизить часть заряда обратного восстановления, приходящуюся на триодную стадию.

Время выключения тиристора, т.е. время, необходимое для восстановления прямой блокирующей способности, определяется минимальным промежутком времени от начала процесса коммутации, которое необходимо для уменьшения количества избыточных электронно-дырочных пар в полупроводниковой структуре, до некоторой критической величины, когда повторное приложение запорного напряжения к рп-переходу j2 уже не приведет к самопроизвольному включению тиристора. Таким образом, время выключения тиристора зависит как от исходного количества накопленных электронно-дырочных пар, так и от скорости рекомбинации, в первую очередь в пределах части слоя 3, пограничной со слоем 2.

Источник информации

1. Патент США №4281336, H 01 L 29/74, 1981.

Использование: в электронной технике. Техническим результатом изобретения является оптимизация мощностных характеристик прибора при сохранении высокого быстродействия за счет уменьшения доли энергии потерь при обратном восстановлении, приходящейся на единицу площади участка полупроводниковой пластины. Сущность изобретения: в мощном быстродействующем тиристоре, включающем четыре полупроводниковых слоя, нанесенных один на другой, металлические катод и анод выполнены на внешних поверхностях первого и четвертого слоев соответственно. Первый и третий слои имеют первый тип проводимости, второй и четвертый слои имеют второй тип проводимости, а третий слой содержит неравномерно распределенные по его толщине рекомбинационные центры носителей заряда, второй слой выполнен из материала с меньшим минимальным удельным электрическим сопротивлением, чем материал третьего слоя. Пограничная со вторым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое; пограничная с четвертым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит большее количество рекомбинационных центров, чем пограничная со вторым слоем область третьего слоя, но не более 90% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, причем распределение концентрации рекомбинационных центров N_t(X) в средней части третьего слоя между двумя пограничными областями удовлетворяет следующему условию:

где Х - координата рекомбинационного центра, определяющая удаление рекомбинационного центра от границы между вторым и третьим полупроводниковыми слоями, мм; X* - толщина области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, которая содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, мм; X** - координата границы между областью третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, и оставшейся частью третьего слоя, равная толщине третьего полупроводникового слоя за вычетом толщины пограничной с четвертым полупроводниковым слоем области третьего полупроводникового слоя, мм; N_t* - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, см^-3; N_t** - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, см^-3. 1 ил.

Мощный быстродействующий тиристор, включающий четыре полупроводниковых слоя, нанесенных один на другой, металлические катод и анод, выполненные на внешних поверхностях первого и четвертого слоев соответственно, причем первый и третий слои имеют первый тип проводимости, второй и четвертый слои имеют второй тип проводимости, а третий слой содержит неравномерно распределенные по его толщине рекомбинационные центры носителей заряда, отличающийся тем, что второй слой выполнен из материала с меньшим минимальным удельным электрическим сопротивлением, чем материал третьего слоя, пограничная со вторым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое; пограничная с четвертым слоем область третьего слоя, имеющая толщину не более 20% от толщины третьего слоя, содержит большее количество рекомбинационных центров, чем пограничная со вторым слоем область третьего слоя, но не более 90% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, причем распределение концентрации рекомбинационных центров N_t(X) в средней части третьего слоя между двумя пограничными областями удовлетворяет следующему условию:

где X - координата рекомбинационного центра, определяющая удаление рекомбинационного центра от границы между вторым и третьим полупроводниковыми слоями, мм;

X* - толщина области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, которая содержит не менее 10% от общего количества рекомбинационных центров в третьем слое, мм;

X** - координата границы между областью третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, и оставшейся частью третьего слоя, равная толщине третьего полупроводникового слоя за вычетом толщины, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем области третьего полупроводникового слоя, мм;

N_t* - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной со вторым полупроводниковым слоем, см^-3;

N_t** - средняя концентрация рекомбинационных центров в области третьего полупроводникового слоя, пограничной с четвертым полупроводниковым слоем, см^-3.