Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением Российский патент 2019 года по МПК H01L29/74 

Предлагаемое изобретение относится к мощным импульсным полупроводниковым приборам, предназначенным для высоковольтных твердотельных коммутаторов, используемых в ускорительной и лазерной технике, радиолокации, электрооборудовании управляемого термоядерного синтеза, электроразрядных, электромагнитных и пучковых технологиях.

Известна конструкция реверсивно-включаемого динистора (РВД) [1], которая представляет собой четырехслойную p⁺-n-p-n⁺-структуру с анодным p⁺- и катодным n⁺- эмиттерами, закороченными шунтами, с встроенными обратными диодами. Включение РВД производится от внешнего блока запуска путем приложения к прибору импульса обратного напряжения. При этом через диодные секции должен протекать импульс обратного тока, являющийся током накачки (управления) амплитудой 1000-4000 А длительностью 1-3 мкс. Ток накачки формирует в высокоомной базовой области вблизи коллекторного перехода динистора однородный слой электронно-дырочной плазмы. После окончания тока накачки и восстановления первоначальной полярности напряжения на динисторе, образовавшийся плазменный слой служит равномерно распределенным источником запускающих носителей. Это обеспечивает быстрое и однородное включение РВД по всей рабочей площади полупроводниковой структуры с очень малыми коммутационными потерями энергии.

При коммутации РВД мощных знакопеременных затухающих импульсов тока включение первого силового импульса тока прямой полярности производится импульсом обратного тока от внешнего блока запуска. Следующие после первого импульса прямого тока, силовые импульсы обратного тока служат одновременно управляющими импульсами для эффективной коммутации многократно повторяющихся импульсов прямого тока.

Недостатком данного технического решения является необходимость использования в системе управления РВД мощного блока запуска, генерирующего токи управления амплитудой несколько тысяч ампер.

Предлагаемое техническое решение лишено этого недостатка. Оно обеспечивает запуск реверсивно-включаемого динистора маломощным импульсом управления, аналогичным импульсу управления обычного тиристора, амплитудой тока равной 1-5 А, длительностью 10-20 мкс, что повышает коэффициент усиления мощности прибора более чем в 10⁴ раз по сравнению с прототипом.

Это достигается с помощью конструкции реверсивно-включаемого динистора с интегрированным управлением (РВДТ), представляющей собой четырехслойную p⁺-n-p-n⁺-структуру с анодным p⁺- и катодным n⁺- эмиттерами, закороченными шунтами, с встроенными обратными диодами, при этом в центральной области динистора располагается асимметричный тиристор (АТ) с регенеративным управляющим электродом и активной областью, выполненной в виде p⁺-n-p-n⁺ структуры, расположенной вокруг регенеративного управляющего электрода и повторяющей его форму, имеющую общие с реверсивно-включаемым динистором n- и p-базы, высоковольтный коллекторный переход, катодную и анодную металлизации.

Дополнительный положительный эффект достигается, когда реверсивно-включаемый динистор изготавливается с обратной проводимостью, площадь катодных шунтов встроенного асимметричного тиристора меньше площади катодных шунтов динистора, а катодные n⁺-эмиттеры тиристора и динистора разделены между собой высокоомной p-областью, при этом ширина активной области тиристора должна быть равной отрезку, определяемому, как произведение времени нарастания импульса коммутируемого прямого тока на среднюю скорость распространения включенного состояния.

Кремниевая структура РВДT представляет собой силовую интегральную схему, в состав которой входят реверсивно-включаемый динистор, состоящий из большого числа одинаковых элементарных ячеек с диодными, транзисторными и тиристорными элементами, и асимметричный тиристор, состоящий из вспомогательного и основного тиристоров, центрального и регенеративного управляющих электродов.

К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:

- наличие в центральной области кремниевой структуры РВДТ встроенного асимметричного тиристора с регенеративным управляющим электродом и активной областью, расположенной вокруг регенеративного управляющего электрода и повторяющей его форму;

- реверсивно-включаемый динистор и встроенный асимметричный тиристор имеют общие n- и p-базы, высоковольтный коллекторный переход, анодный p⁺-эмиттер, катодную и анодную металлизации;

- p⁺-эмиттер реверсивно-включаемого динистора выполнен с анодными шунтами, а p⁺-эмиттер асимметричного тиристора не имеет анодных шунтов;

- площадь катодных шунтов в асимметричном тиристоре меньше площади катодных шунтов в реверсивно-включаемом динисторе;

- катодные n⁺-эмиттеры реверсивно-включаемого динистора и асимметричного тиристора разделены высокоомной p-областью;

- ширина активной области асимметричного тиристора должна быть равной отрезку, определяемому как произведение времени нарастания импульса коммутируемого прямого тока на среднюю скорость распространения включенного состояния.

Конструкция изобретения показана на фигуре, на которой представлено радиальное сечение реверсивно-включаемого динистора с интегрированным управлением;

1 - асимметричный тиристор;

2 - реверсивно-включаемый динистор;

3 - центральный управляющий электрод;

4 - вспомогательный тиристор;

5 - регенеративный управляющий электрод;

6 - n⁺-эмиттер асимметричного тиристора (активная область);

7 - встроенные обратные диоды реверсивно-включаемого динистора;

8 - высоковольтный коллекторный переход асимметричного тиристора и реверсивно-включаемого динистора;

9 - n⁺-эмиттер реверсивно-включаемого динистора;

10 - p⁺-эмиттер асимметричного тиристора;

11 - p⁺-эмиттер реверсивно-включаемого динистора;

12 - n-база асимметричного тиристора и реверсивно-включаемого динистора;

13 - p-база асимметричного тиристора и реверсивно-включаемого динистора;

14 - разделительная высокоомная p-область;

15 - катодная металлизация асимметричного тиристора и реверсивно-включаемого динистора;

16 - анодная металлизация асимметричного тиристора и реверсивно-включаемого динистора;

17 - катодные шунты n⁺-эмиттера асимметричного тиристора;

18 - катодные шунты n⁺-эмиттера реверсивно-включаемого динистора;

19 - анодные шунты p⁺-эмиттера реверсивно-включаемого динистора.

В данной конструкции запуск РВДТ в режим коммутации мощных знакопеременных импульсов тока производится подобно тиристору, подачей импульса управления малой мощности на центральный управляющий электрод 3 встроенного асимметричного тиристора 1. Импульс управления, усиленный вспомогательным тиристором 4 и переданный с помощью регенеративного управляющего электрода 5 в активную область 6 асимметричного тиристора, переключает его в проводящее состояние и обеспечивает протекание первого силового импульса тока прямой полярности. При изменении полярности приложенного к РВДТ напряжения из базовых областей 12 и 13 асимметричного тиристора 1 происходит вынос свободных носителей заряда, сопровождающийся всплеском тока в обратном направлении тиристора. Одновременно через встроенные обратные диоды 7 в реверсивно-включаемом динисторе 2 протекает импульс обратного тока, который вызывает накопление однородного слоя электронно-дырочной плазмы вблизи коллекторного перехода 8. При следующей смене полярности на РВДТ, плазменный слой вызывает инжекцию неосновных носителей из эмиттерных областей 9 и 11 в базовые области динистора 12 и 13, что приводит к быстрому и однородному включению динистора и протеканию второго импульса прямого тока с низкими значениями переходного и установившегося падений напряжений. Таким образом, в режиме коммутации мощных знакопеременных импульсов тока внешний маломощный сигнал управления включает встроенный асимметричный тиристор 1, который коммутирует первый силовой импульс прямого тока. Следующие за ним силовые импульсы обратного тока обеспечивают включение реверсивно-включаемого динистора 2 и протекание через него второго и последующих импульсов прямого тока, без внешних сигналов управления.

Для обеспечения минимальных потерь при коммутации первого силового импульса прямого тока должны выполняться следующие условия:

- встроенный асимметричный тиристор 1 должен иметь вспомогательный тиристор 4 и регенеративный управляющий электрод 5; при коммутации импульсов тока со скоростями нарастания выше 1 кА/мкс используется разветвленный регенеративный управляющий электрод;

- активная область 6 асимметричного тиристора 1 располагается вокруг регенеративного управляющего электрода 5, повторяя его форму;

- площадь катодных шунтов 17 n⁺-эмиттера активной области 6 тиристора 1 меньше площади катодных шунтов 18 n⁺-эмиттера 9 реверсивно-включаемого динистора 2;

- ширина активной области 6 асимметричного тиристора 1 равна отрезку, определяемому как произведение времени нарастания импульса коммутируемого прямого тока на среднюю скорость распространения включенного состояния.

Для минимизации взаимного влияния во время переходных процессов обратного восстановления асимметричного тиристора 1 и накачки плазмы в базовые области 12 и 13 реверсивно-включаемого динистора 2 при протекании импульса обратного тока катодный n⁺-эмиттер 6 асимметричного тиристора и катодный n⁺-эмиттер 9 реверсивно-включаемого динистора разделены высокоомной p-областью 14.

Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере изготовления реверсивно-включаемого динистора с интегральным управлением РВДТ253-50-20 на импульсный ток 50 кА и максимальное блокирующее напряжение до 2200 В. Полупроводниковая структура p⁺-n-p-n⁺ типа диаметром 56 мм изготавливалась на основе нейтронно-легированного кремния КОФ80-60. В кремниевой пластине n-типа проводимости с помощью диффузии бора и алюминия с одной стороны пластины формируют p⁺-p-n-структуру и производят окисление обеих поверхностей структуры. Затем с помощью фотолитографии удаляют участки окисла кремния для локальной диффузии фосфора со стороны p⁺-типа для формирования катодных n⁺-эмиттеров вспомогательного тиристора, активной области асимметричного тиристора и катодного n⁺-эмиттера реверсивно-включаемого динистора. Со стороны n-базы удаляют участки окисла в области под катодные эмиттеры встроенных диодов обратного тока и анодные шунты p⁺-эмиттера реверсивно-включаемого динистора. Затем проводят загонку фосфора, удаляют окисел кремния и проводят разгонку фосфора с одновременной диффузией бора со стороны n-базы для формирования анодного p⁺-эмиттера встроенного асимметричного тиристора и анодного p⁺-эмиттера реверсивно-включаемого динистора. Причем при разгонке фосфора с одновременной диффузией бора происходит окончательное формирование всех элементов p⁺-n-p-n⁺ структуры реверсивно-включаемого динистора с интегрированным управлением. Кремниевая пластина с сформированной p⁺-n-p-n⁺ структурой РВДТ со стороны анодной металлизации сплавляется с термокомпенсатором. На катодную поверхность элемента РВДТ напыляется слой алюминия, по которому затем производится фотолитография с целью формирования топологии центрального и регенеративного управляющих электродов асимметричного тиристора, их гальванического разделения от катодной металлизации РВДТ. Затем по периметру элемента снимается фаска, производится ее травление и защита кремнийорганическим компаундом. Готовый элемент РВДТ собирается в металлокерамический корпус, герметизируется методом холодной сварки и тестируется по электрическим параметрам.

Испытания предлагаемой конструкции РВДТ показали, что реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением может переключать импульсы прямого тока амплитудой до 50 кА, длительностью до
200 мкс, со скоростью нарастания прямого тока до 10 кА/мкс. При этом РВДТ запускается в режим коммутации знакопеременных импульсов тока одним импульсом тока в цепи управляющий электрод-катод амплитудой
2-4 А, как у обычного тиристора. Снижение амплитуды тока управления примерно в 10³ раз и увеличение коэффициента усиления мощности более чем в 10⁴ раза дает возможность упростить электрическую схему и конструкцию блока запуска РВДТ и значительно повысить его надежность.

Работоспособность конструкции РВДТ была проверена в блоке коммутатора предионизации мощной лазерной установки. Установлено, что реверсивно-включаемые динисторы с интегрированным управлением с блокирующим напряжением 2200 В надежно работают в режиме коммутации мощных знакопеременных импульсов тока амплитудой до 50 кА с длительностью импульсов тока до 200 мкс.

[1] В.М. Тучкевич, И.В. Грехов. «Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами». Академия наук СССР. Ленинград, «Наука», Ленинградское отделение, 1988, с.115

Изобретение относится к мощным импульсным полупроводниковым приборам, предназначенным для высоковольтных твердотельных коммутаторов, используемых в ускорительной и лазерной технике, радиолокации, электрооборудовании управляемого термоядерного синтеза, электроразрядных, электромагнитных и пучковых технологиях. Техническим результатом изобретения является создание силового полупроводникового прибора, включаемого маломощным импульсом тока, аналогичным импульсу управления обычного тиристора, для использования в схемах мощных коммутаторов на основе последовательно соединенных приборов, предназначенных для работы в режимах коммутации знакопеременных затухающих импульсов тока. Это достигается с помощью конструкции реверсивно-включаемого динистора с интегрированным управлением (РВДТ), представляющей собой четырехслойную p⁺-n-p-n⁺-структуру с анодным p⁺- и катодным n⁺- эмиттерами, закороченными шунтами, с встроенными обратными диодами, при этом в центральной области динистора располагается асимметричный тиристор с регенеративным управляющим электродом и активной областью, выполненной в виде p⁺-n-p-n⁺ структуры, расположенной вокруг регенеративного управляющего электрода и повторяющей его форму, имеющую общие с реверсивно-включаемым динистором n- и p-базы, высоковольтный коллекторный переход, катодную и анодную металлизации, вследствие чего РВДТ включается маломощным импульсом управления, подобно тиристору, коммутируя первый мощный импульс прямого тока, а затем последующее включение прибора происходит по механизму реверсивно-инжекционного управления, обеспечивая эффективную работу РВДТ в режимах коммутации мощных слабозатухающих двухполярных импульсов тока. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением, представляющий собой четырехслойную p+-n-p-n+-структуру с анодным p+- и катодным n+- эмиттерами, закороченными шунтами, с встроенными обратными диодами, отличающийся тем, что в центральной области динистора расположен асимметричный тиристор с регенеративным управляющим электродом и активной областью, выполненной в виде p+-n-p-n+ структуры, расположенной вокруг регенеративного управляющего электрода и повторяющей его форму, имеющую общие с реверсивно включаемым динистором n- и p-базы, высоковольтный коллекторный переход, катодную и анодную металлизации.

2. Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением по п. 1, отличающийся тем, что площадь катодных шунтов в асимметричном тиристоре меньше площади катодных шунтов в реверсивно-включаемом динисторе.

3. Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением по п. 1 или 2, отличающийся тем, что катодные n+-эмиттеры реверсивно-включаемого динистора и асимметричного тиристора разделены между собой высокоомной p-областью.

4. Реверсивно-включаемый динистор с интегрированным управлением по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что ширина активной области асимметричного тиристора должна быть равной отрезку, определяемому как произведение времени нарастания импульса коммутируемого прямого тока на среднюю скорость распространения включенного состояния.