ТИРИСТОР С "МЯГКИМ" ВОССТАНОВЛЕНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при конструировании тиристоров с пониженной амплитудой тока обратного восстановления и увеличенным коэффициентом формы тока обратного восстановления.

Известный тиристор [Патент №2123322, ФРГ, кл. H 01 L 29/52, опубл. 1971 г.], содержащий узкую и широкую базовые области, в котором для увеличения статического напряжения переключения и повышения устойчивости к быстрому нарастанию анодного напряжения осуществлена шунтировка высоколегированной катодной эмиттерной области, выполненная в виде проводящих каналов того же типа проводимости, что и узкая базовая область, соединяющих узкую базовою область и омические контакты к высоколегированной катодной эмиттерной области.

Недостатком этого тиристора является то, что в нем не удается обеспечить малое значение амплитуды тока обратного восстановления (I_RM) и высокое значение коэффициента формы тока обратного восстановления (k_F). Это обусловлено тем, что для снижения I_RR нужно увеличивать плотность шунтирующих каналов, однако, при этом быстро начинает увеличиваться импульсное значение напряжения в открытом состоянии (U_T) и уменьшаться величина k_F. Поэтому при приемлемых значениях U_T значение I_RM остается недостаточно малым, а значение k_F недостаточно большим.

Необходимость увеличения k_F и уменьшения I_RM обусловлена тем, что при этом снижается амплитудное значение величины обратного напряжения (U_RM), возникающего на индуктивностях цепи при уменьшении величины тока обратного восстановления и прикладывающиеся к тиристору в процессе его восстановления. Это снижает требования к снабберным и защитным цепям в преобразователях, и позволяет отказаться от их использования в случае достаточно низкого значения I_RM и высокого значения k_F. Использование приборов с такими характеристиками в составе преобразовательных устройств значительно снижает их массогабаритные и стоимостные показатели.

Задачей изобретения является снижение амплитуды тока обратного восстановления и увеличения коэффициента формы тока обратного восстановления тиристоров.

Поставленная задача решается следующим способом. В тиристоре, содержащем широкую базовую область n-типа проводимости, прилежащие к ней с разных сторон, узкую базовую область р-типа проводимости и анодную область р-типа проводимости, содержащую высоколегированную анодный эмиттерный слой p⁺-типа проводимости, расположенный со стороны, противоположной широкой базовой области, к которому создан омический контакт. При этом в узкой базовой области со стороны, противоположной широкой базовой области, создана высоколегированная катодная эмиттерная область n⁺-типа проводимости и в ней образованы шунтирующие каналы р-типа проводимости, соединяющие узкую базовую область и омический контакт, созданный к катодной эмиттерной области. Кроме того, в высоколегированном анодном эмиттерном слое образованы каналы р-типа проводимости, соединяющие анодную область и омический контакт к высоколегированному анодному эмиттерному слою, имеющие более низкую проводимость, чем высоколегированный анодный эмиттерный слой.

Поперечный разрез предлагаемого тиристора изображен на фиг.1, где

1 - широкая базовая область - n-типа проводимости;

2 - узкая базовая область - р-типа проводимости;

3 - анодная область - р-типа проводимости;

4 - высоколегированный анодный эмиттерный слой - p⁺-типа проводимости;

5 - высоколегированная катодная эмиттерная область - n⁺-типа проводимости;

6 - шунтирующие каналы - р-типа проводимости;

7 - омический контакт к высоколегированной катодной эмиттерной области;

8 - омический контакт к высоколегированной анодному эмиттерному слою;

9 - каналы - р-типа проводимости;

10 - анодный р-n переход;

11 - коллекторный р-n переход;

12 - катодный эмиттерный р-n переход;

Предлагаемый тиристор работает следующим образом.

Когда к тиристору приложено прямое напряжение: положительный потенциал к омическому контакту к высоколегированному анодному эмиттерному слою (8), а отрицательный к омическому контакту к высоколегированной катодной эмиттерной области (7), и он находится в открытом состоянии, через него протекает ток. У предлагаемого тиристора, в отличии от известного тиристора [Патент ФРГ №2123322], часть высоколегированного анодного эмиттерного слоя (4) занята каналами (9), которые имеют более низкую проводимость чем слой (4) и из которых не осуществляется инжекция неравновесных носителей заряда. Поэтому коэффициент инжекции анодного р-n перехода (10) у него будет ниже, чем у известного тиристора. В результате этого величина концентрации неравновесных носителей заряда в окрестности этого р-n перехода, при одинаковой плотности анодного тока, у предложенного тиристора будет ниже, чем у аналога. Распределение концентрации неравновесных носителей заряда в тиристорах, находящихся в открытом состоянии, представлено на фиг.2. Распределение получено расчетным путем для тиристора с геометрическими и электрофизическими параметрами, соответствующими значениям, указанным в примере конкретного исполнения, где А - предлагаемый тиристор; В - аналог. Вследствие этого для сохранения у предлагаемого тиристора значений U_T, равных аналогу, он должен иметь большее значение времени жизни неравновесных носителей заряда τ_р в базовых областях, чем у аналога. Поэтому величина концентрации неравновесных носителей заряда в окрестности коллекторного р-n перехода у него будет выше, чем у аналога (фиг.2).

При перемене полярности анодного напряжения на тиристоре через него будет протекать обратный ток. При этом вначале будет выводиться избыточный заряд неравновесных носителей заряда, накопленный в окрестности анодного р-n перехода. Так как у предлагаемого тиристора величина концентрации неравновесных носителей заряда и, следовательно, заряд, накопленный в окрестности восстанавливающегося при этом анодного р-n перехода меньше, чем у аналога, то и величина заряда (Q_S) и времени запаздывания (t_S), и, следовательно, величина амплитуды тока обратного восстановления (I_RM) у него будет меньше чем у аналога.

После того как концентрации свободных носителей заряда у анодного р-n перехода достигнут равновесных значений, в его окрестности начнет формироваться область объемного заряда. Распределение концентрации неравновесных носителей заряда в тиристоре в этот момент времени представлено на фиг.3, где А - предлагаемый тиристор; В - аналог. Сопротивление тиристора при этом резко возрастет, и величина обратного тока начнет уменьшаться. Так как у предлагаемого тиристора концентрация неравновесных носителей заряда в окрестности коллекторного р-n перехода выше, чем у аналога, то и величина остаточного заряда Q_f и времени спада обратного тока t_f у него будут больше. Коэффициентом формы тока обратного восстановления (k_F) называется отношение t_f/t_s. Поэтому исходя из выше изложенного величина k_F у предлагаемого тиристора будет выше, чем у аналога.

Пример конкретного исполнения.

Была изготовлена партия тиристоров с диаметром выпрямительного элемента 56 мм. Для изготовления был использован кремний n типа проводимости марки КОФ60-100. Узкая базовая область и анодная область формировались путем одновременной диффузии бора и алюминия и имели р тип проводимости. Высоколегированная катодная эмиттерная область формировалась путем диффузии фосфора. Толщина широкой базовой области составляла 350 мкм, ширина узкой базовой области 82 мкм, ширина анодной области составляла 105 мкм, высоколегированной катодной эмиттерной области 23 мкм. Шунтирующие каналы в высоколегированный катодной эмиттерной области имели форму цилиндра диаметром 300 мкм. Они были расположены на вершинах равносторонних треугольников на расстоянии 1500 мкм друг от друга и равномерно распределены по площади этой области.

В соответствии с предлагаемым решением на первой половине партии (А) в высоколегированном анодном эмиттерном слое были созданы каналы с более низкой проводимостью. Каналы имели форму цилиндра диаметром 200 мкм. Они были расположены на вершинах равносторонних треугольников на расстоянии 600 мкм друг от друга и равномерно распределены по площади этой области. Величина поверхностной концентрации легирующей примеси (бора) в высоколегированном анодном эмиттерном слое составляла 5×10¹⁹ см^-3, а в каналах 8×10¹⁶ см^-3. Толщина высоколегированного анодного слоя составляла 40 мкм.

На второй половине партии, как у аналога, высоколегированный анодный эмиттерный слой был сплошным, с такими же электрофизическими параметрами, как и на первой половине.

После изготовления обеих частей партии, на них в соответствии с [Пат. 2110113, Россия, МКИ 6 Н 01 L 21/263. Способ регулирования величины заряда обратного восстановления полупроводниковых приборов с заданной точностью / Е.М.Гейфман, Д.Д.Канев, О.П.Ксенофонтов. - (Россия). - №96119133; Заявл. 25.09.96; Опубл. 27.04.98, Бюл. №12. - 4 л.] было проведено регулирование величины заряда обратного восстановления (Q_rr) методом электронного облучения.

Основные параметры тиристоров предлагаемой конструкции (А) и известной конструкции (В) приведены в таблице.

Основные параметры№ п/пТип конструкцииU_DRM, U_RRM, BU_T, ВQrr, мкКлI_RM, Аk_Fτ_р, мкс1А24002,16051101,5182В24002,18101500,89,8

Из полученных данных следует, что использование изобретения позволяет на 30% снизить величину I_RM и увеличить величину k_F почти в 2 раза при сохранении таких же значений величины импульсного напряжения в открытом состоянии (U_T) и импульсного повторяющего обратного напряжения (U_RRM) и импульсного повторяющегося напряжения в закрытом состоянии (U_DRM). Следовательно, оно может быть использовано при разработке и производстве мощных полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при конструировании тиристоров с пониженной амплитудой тока обратного восстановления и увеличенным коэффициентом формы тока обратного восстановления. Техническим результатом изобретения является снижение амплитуды тока обратного восстановления и увеличение коэффициента формы тока обратного восстановления тиристора. Сущность изобретения: в известном тиристоре, в высоколегированном анодном эмиттерном слое р⁺-типа проводимости, расположенном в анодном эмиттерном слое р-типа проводимости со стороны, противоположной широкой базовой области, образованы каналы р-типа проводимости, соединяющие анодную область и омический контакт к высоколегированному анодному эмиттерному слою, имеющие более низкую проводимость, чем высоколегированный анодный эмиттерный слой. 1 табл., 3 ил.

Тиристор, содержащий широкую базовую область n-типа проводимости, прилежащие к ней с разных сторон узкую базовую область р-типа проводимости и анодную область р-типа проводимости, содержащую высоколегированный анодный эмиттерный слой р⁺-типа проводимости, расположенный со стороны, противоположной широкой базовой области, к которому создан омический контакт, при этом в узкой базовой области со стороны, противоположной широкой базовой области, создана высоколегированная катодная эмиттерная область n⁺-типа проводимости и в ней образованы шунтирующие каналы р-типа проводимости, соединяющие узкую базовую область и омический контакт, созданный к высоколегированной катодной эмиттерной области, отличающийся тем, что в высоколегированном анодном эмиттерном слое образованы каналы р-типа проводимости, соединяющие анодную область и омический контакт, к высоколегированному анодному эмиттерному слою, имеющие более низкую проводимость, чем высоколегированный анодный эмиттерный слой.