ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 2025 года по МПК H10D30/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в мощных переключающих схемах энергетической электроники (ЭЭ).

ЭЭ возникла из необходимости преобразовывать параметры электроэнергии для нужд транспорта, технологий и для вторичного электропитания различных устройств. Основа ЭЭ - электронные ключи; устройства, позволяющие прерывать протекание электрического тока в цепи с заданной периодичностью и с высокой энергетической эффективностью. В качестве электронного ключа в современной технике чаще всего используются полностью управляемые электронные приборы - транзисторы, в т.ч.

- биполярные, p-n-р- и n-p-n типов проводимости;

- униполярные, с изолированным с помощью окисла затвором - МОП-транзисторы;

- приборы комбинированного типа (так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)), в которых МОП- и биполярный образуют составной транзистор с МОП-транзистором на входе;

- униполярные транзисторы с управляющим р-n-переходом - транзисторы со статической индукцией - СИТ.

СИТ-транзисторы были весьма популярны и демонстрировали рекордные параметры быстродействия и энергетической эффективности еще до появления современных МОП- и БТИ3-транзисторов, но с появлением последних отошли на второй план, хотя имеют перед ними определенные преимущества.

Основное применение электронных ключей - коммутация электрических цепей с целью преобразования параметров электроэнергии - тока и напряжения, для чего в схемах преобразователей используются магнитные накопители энергии. При наличии в составе нагрузки магнитных накопителей энергии электронный ключ должен быть двунаправленным, т.е. обеспечивать протекание тока в прямом и в инверсном направлениях. Это необходимо для возврата накопленной в магнитном поле нагрузки энергии, чтобы исключить опасные перенапряжения в цепях. Но поскольку в ключах используют транзисторы - приборы, рассчитанные на однонаправленные токи, то для пропускания через ключ тока, инверсного для транзистора, транзистор шунтируется диодом, который также называют антипараллельным. Данный диод защищает транзисторную структуру от инверсного тока. Схема каскада на транзисторах VT1, VT2 с индуктивной нагрузкой L и с антипараллельными диодами VD1, VD2 приведена на Фиг. 1.

Параметры таких диодов по току, напряжению и быстродействию должны соответствовать параметрам защищаемого транзистора по току, напряжению и быстродействию. Как правило, такой диод устанавливается в схему ключа в виде отдельного прибора, но стоимость такого диода одного порядка со стоимостью транзистора, хотя он работает меньшую часть цикла и является неуправляемым, т.е. функционально стоимостный показатель данного технического решения не высок. Кроме того, введение в схему ключа мощного антипараллельного диода увеличивает габариты ключа, особенно это не выгодно, если используются бескорпусные приборы, которые монтируются на теплопроводную изолирующую подложку, но результат этой работы вдвое хуже ожидаемого - для размещения диода площадь теплопроводной подложки из дорогостоящей керамики требуется увеличить вдвое, при этом увеличивается степень дезинтеграции конструкции.

Кроме того, подключаемый внешний диод имеет некоторую инерционность при включении вследствие наличия индуктивности выводов, и защита структуры транзистора от инверсного тока не может считаться полной.

Решение данной диспропорции видится в размещении антипараллельного диода в составе кристалла транзистора. Как правило, современные МОП- и биполярные транзисторы имеют в своем составе такие диоды, они возникают в структуре автоматически при ее формировании. И если по величине тока и напряжения такие внутренние диоды соответствуют требованиям, то их быстродействие недостаточно, время восстановления обратного сопротивления диода значительно больше времени выключения транзистора, и это не позволяет использовать транзистор на его предельных частотах.

Безусловно, попытки создать такой диод в составе транзисторной структуры были, и даже достигался некоторый эффект, но при этом конечный прибор, становится значительно дороже, чем аналогичный прибор без диода, да и параметры диода по быстродействию оставляют желать лучшего.

Суть данного изобретения состоит в том, что в составе структуры транзистора со статической индукцией формируется область, выполняющая функцию антипараллельного диода, по параметрам предельного тока, напряжения и быстродействия соответствующая транзистору, в структуре которого он формируется.

Наиболее близким к предложенному решению является высоковольтный транзистор с вертикальным каналом с управляющим p-n-переходом («Мощный высоковольтный транзистор со статической индукцией» / М.Н. Антонов, В.С. Данилов, Ю.Н. Максименко -Электронная промышленность. 1987. №7. С.29-30).

Такая транзисторно-диодная структура выглядит следующим образом: транзистор сформирован на полупроводниковой подложке с высокоомным слоем первого типа проводимости. Затвор выполнен в виде ячеистой структуры из сильнолегированной области второго типа проводимости в высокоомном слое первого типа проводимости. Области истоков сформированы из сильно легированных областей первого типа проводимости и расположены в окнах ячеек затвора.

Транзистор способен работать как в полевом, так и в биполярном режимах.

В режиме с модуляцией канала при прямом смещении управляющего p-n-перехода транзистор имеет высокое быстродействие, которое соизмеримо с быстродействием полевых МОП-транзисторов и малое, более чем в 20 раз меньшее, чем у биполярных транзисторов сопротивление канала в открытом состоянии. Сущность изобретения заключается в следующем.

В известном высоковольтном полевом переключающем транзисторе с вертикальным каналом с управляющим p-n-переходом в высокоомной области первого типа проводимости формируют дополнительные сильнолегированные области второго типа проводимости, которые отделены от области затвора высокоомным слоем первого типа проводимости.

Дополнительные области расположены от области затвора на расстоянии не более того, при котором происходит преждевременный лавинный пробой управляющего p-n-перехода между истоком и затвором и не менее расстояния, при котором смыкаются области пространственного заряда, возникающие вокруг сильнолегированных областей второго типа проводимости в высокоомном слое первого типа проводимости при подаче напряжения не менее максимально допустимого напряжения затвор-исток.

Дополнительные области одной с затвором типом проводимости соединены с областями истока общей металлизацией.

На Фиг. 2 приведен поперечный разрез кристалла предлагаемого прибора в соответствии с изобретением.

Кристалл прибора выполнен на низкоомной полупроводниковой подложке первого типа проводимости 1 с высокоомным слоем того же типа проводимости 2, выполняющих роль стока. Диффузионная область затвора второго типа проводимости 3 выполнена в виде ячеистой структуры с окнами, в которых расположены сильно легированные области истоков первого типа проводимости 4.

Между чередующимися структурами транзистора сформированы дополнительные диффузионные сильно легированные области второго типа проводимости 5, которые отделены от области затвора высокоомной областью первого типа проводимости 2. Металлизация кристалла включает металлизацию истока 6 и затвора 7, причем металлизация истока 6 является одновременно металлизацией анода диода.

Дополнительные области необходимо располагать от затвора на расстоянии, не превышающем величины распространения области пространственного заряда, образующегося вокруг затвора в высокоомном слое стока, при котором происходит лавинный пробой. Величина распространения области пространственного заряда зависит от величины прикладываемого к p-n-переходу обратного напряжения. По краю управляющего p-n-перехода за счет его искривления, а также наличия на поверхности кристаллов зарядов, которые повышают в приповерхностном слое концентрацию примеси, лавинный пробой в области пространственного заряда наступает значительно раньше, чем в объеме, или на краю кристалла, где применяются специальные меры для предотвращения преждевременного пробоя. Для того, чтобы внутри кристалла не наступил преждевременный лавинный пробой, область пространственного заряда, распространяемая от затвора, до момента наступления поверхностного лавинного пробоя должна сомкнуться с областью пространственного заряда дополнительных областей.

С другой стороны, дополнительные области должны располагаться от затвора на расстоянии, не ближе того, при котором смыкаются области пространственного заряда, возникающие вокруг сильнолегированных областей второго типа проводимости в высокоомном слое первого типа проводимости при подаче напряжения не менее максимально допустимого напряжения затвор-исток. При смыкании области пространственного заряда затвора с областью пространственного заряда дополнительных областей дальнейшее повышение напряжения на затворе вызывает протекание тока по цепи: затвор - дополнительные области - исток (характеристика прибора ограничителя напряжения, стабилитрона).

Эквивалентная схема прибора приведена на Фиг. 3.

Работает предложенный прибор следующим образом:

При подаче на затвор транзистора прямого смещения последний открывается, в область канала впрыскиваются неосновные носители, которые модулируют низкоомную область стока (модулируют сопротивление низкоомной области стока). Для закрытия транзистора на затвор подается отрицательное смещение, при этом начинает протекать ток затвора в обратном направлении, обусловленный неосновными носителями, накопленными в высокоомной области стока. Время протекания обратного тока затвора определяется величиной накопленного заряда в области канала и величиной тока затвора, которая зависит от управляющего импульса.

Скорость выключения диода наряду с быстродействием транзистора определяет предельную частоту переключения всего устройства.

В предложенном изобретении роль защитного диода выполняют дополнительные области. Низкоомные области второго типа проводимости 5 являются катодом диода, а высокоомная 2 и низкоомная 1 области первого типа проводимости - анодом.

При возникновении на транзисторе инверсного напряжения p-n-переход дополнительной области открывается и в высокоомную область первого типа впрыскиваются неосновные носители и через диод начинает протекать ток. Величина тока определяется величиной тока нагрузки, а время протекания - энергией накопленной в индуктивности нагрузки.

Время выключения диода при подаче на него обратного напряжения определяется временем вывода неосновных носителей из высокоомной области 2. В обычном диоде это время определяется временем рекомбинации неосновных носителей, которое зависит от времени жизни неосновных носителей.

В предлагаемом изобретении вывод неосновных носителей из базы диода осуществляется через управляющий электрод транзистора - через затвор.

Время восстановления транзистора зависит от следующих факторов:

- от конструктивных параметров кристалла и от электрофизических параметров материала кристалла;

- от электрического режима на управляющем электроде транзистора.

Поскольку электрофизические параметры материала кристалла (концентрация примесей, время жизни неосновных носителей, подвижность носителей заряда и др.) выбраны оптимально для транзистора, то в дальнейшем при рассмотрении работы прибора не будем брать их во внимание.

Рассмотрим работу диода при выключении в трех случаях:

1. Затвор транзистора оборван, т.е. не подключен к какой-либо внешней цепи;

2. Затвор транзистора накоротко соединен с истоком;

3. Затвор транзистора соединен с истоком через резистор с некоторым сопротивлением.

В первом случае диод должен выключаться как обычный диод, время его восстановления зависит от времени рекомбинации неосновных носителей, т.е. от времени их жизни.

Во втором случае неосновные носители из базы диода под действием потенциала на стоке будут дрейфовать к управляющему р-n-переходу затвора транзистора и уходить в исток. При этом по цепи сток - затвор - исток будет протекать ток, обусловленный неосновными носителями заряда структуры диода. Поскольку скорость выключения диода в данном случае в основном определяется дрейфовой скоростью неосновных носителей (так еще скорость рекомбинации значительно ниже), то она определяется конструктивными параметрами - расстоянием между диодной структурой и элементами затвора, которое неосновные носители должны преодолеть (расстояние «b» на Фиг. 2). Чтобы данное время было не больше, чем время выключения транзистора, расстояние «b» должно быть равно или меньше расстояния «с» (толщина высокоомной области первого типа проводимости стока 2 транзистора).

Очевидно, что скорость вывода неосновных носителей диода через управляющий электрод транзистора будет зависеть от величины протекающего тока по цепи сток - затвор - исток. Поэтому, если исток и затвор соединить резистором, который ограничит ток выключения, время выключения увеличится, и оно будет пропорционально зависеть от величины сопротивления резистора.

Для проверки работоспособности предложенной конструкции были изготовлены приборы с рабочим напряжением 600 В и током 5 А.

Конструктивные параметры данных макетов были выбраны не оптимально: размер «в» был больше размера «с» в шесть раз. Исследование динамических параметров данной конструкции дали следующие результаты:

- время выключения диода при закороченном с истоком затворе было равно времени выключения транзистора и не превышало 0,2 мкс;

- время выключения диода при установке между затвором и истоком резистора с номиналом 10 Ом не превышало 2,5 мкс;

- время выключения диода при «оторванном» затворе составляло около 15 мкс.

Как показал эксперимент, даже в случае, когда «b» в шесть раз больше «с», скорость выключения диода совпадает со скоростью выключения транзистора.

При исследовании динамических характеристик было обнаружено еще одно положительное свойство прибора - подготовка диода к выключению транзистора.

Известно, что при включении транзистора его внутреннее сопротивление (сопротивление канала) устанавливается до минимального значения за время, которое необходимо для полной модуляции высокоомной области стока 2 (Фиг. 2).

В момент включения транзистора, пока неосновные носители не промодулируют всю высокоомную область стока, его внутреннее сопротивление большое, и транзистор рассеивает на себе повышенную мощность, а это снижает коэффициент полезного действия устройства. Для уменьшения потерь на транзисторе в момент включения можно увеличить импульс управляющего тока затвора, так как при его увеличении модуляция области стока протекает быстрее. Такой прием уменьшает потери в транзисторе при включении, но увеличивает потребление мощности схемой управления и существенно ее усложняет.

В предложенной конструкции, если транзистор включать в момент, когда через затвор еще протекает ток выключения диода, то транзистор значительно быстрее выходит на минимальное сопротивление, так как неосновные носители диода начинают участвовать в процессе токопереноса транзистора.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в устройствах силовой электроники. Высоковольтный полевой переключающий транзистор с вертикальным каналом с управляющим p-n-переходом сформирован на низкоомной полупроводниковой подложке с высокоомным слоем первого типа проводимости, затвор транзистора сформирован из сильнолегированных областей второго типа проводимости в виде ячеек в высокоомном слое первого типа проводимости, области истоков выполнены в виде сильнолегированных областей первого типа проводимости и расположены в окнах ячеек затвора и металлизацию истоков и затвора с контактными площадками, при этом область второго типа проводимости, находящаяся под металлизацией истока, затвора и на периферии, отделена от области затвора высокоомной областью стока первого типа проводимости, расстояние между которыми должно быть не более расстояния, при котором происходит преждевременный поверхностный пробой управляющего р-n-перехода, и не менее расстояния, при котором смыкаются области пространственного заряда, возникающие вокруг сильнолегированных областей второго типа проводимости при подаче напряжения не более максимально допустимого напряжения отсечки. Техническим результатом является создание структуры кристалла высоковольтного силового транзистора, выполненного на одном кристалле с быстродействующим антипараллельным диодом. 3 ил.

Высоковольтный полевой переключающий транзистор с вертикальным каналом с управляющим p-n-переходом, сформированный на низкоомной полупроводниковой подложке с высокоомным слоем первого типа проводимости, содержащий затвор, сформированный из сильнолегированных областей второго типа проводимости и выполненный в виде ячеистой структуры в высокоомном слое первого типа проводимости, области истоков, сформированные из сильнолегированных областей первого типа проводимости и расположенные в окнах ячеек затвора, металлизацию истоков и затвора с контактными площадками, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия транзистора, область второго типа проводимости, находящаяся под металлизацией истока, затвора и на периферии, отделена от области затвора высокоомной областью стока первого типа проводимости, расстояние между которыми должно быть не более расстояния, при котором происходит преждевременный поверхностный пробой управляющего р-n-перехода, и не менее расстояния, при котором смыкаются области пространственного заряда, возникающие вокруг сильнолегированных областей второго типа проводимости при подаче напряжения не более максимально допустимого напряжения отсечки.