СИЛОВОЙ ЗАПИРАЕМЫЙ ТИРИСТОР Советский патент 1994 года по МПК H01L29/743 

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, в частности к запираемым тиристорам.

Цель изобретения - повышение стойкости к высоким скоростям нарастания анодного тока при включении и повышение допустимого значения запираемого тока.

На фиг. 1 показан вид структуры сверху с фрагментом трех концентрических участков с расположенными в их пределах радиальными эммиттерами; на фиг. 2, 3 - сечения полупроводниковой структуры в месте расположения эмиттерных участков 1-го и (i-1)-го концентрического участка соответственно.

Запираемый тиристор содержит полупроводниковую структуру с множеством радиальных полосковых эмиттеров 1, сгруппированных в нескольких концентpических участков i, i - 1, i - 2. В пределах этих участков эмиттеры имеют одинаковые размеры и расположены под одинаковыми углами один к другому. Эмиттеры снабжены металлизацией 2. Базовая область 3 охватывает эмиттерные участки, снабжена металлизацией 4 и контактирует с центральным управляющим электродом 5. В пределах участков i . . . 1-2 эмиттеры 1 равноудалены от управляющего электрода 5. Средняя ширина базовой металлизации между эмиттерами в i-м и (i - 1)-м концентрических участках одинакова и равна соответственно b_i, b_i-1.

К границам 6 эмиттеров 1 прилегает неметаллизированная часть 7 базовой области. Ширина неметаллизированной части 7 одинакова в пределах каждого из i, i - 1 участков и увеличивается от I_pi для i-го участка до I_p(i-1) для (i - 1)-го участка в направлении к управляющему электроду. Металлизация всех эмиттеров всегда находится под одним потенциалом, так как контактирует с общим электродом. Ширина неметаллизированных частей базовой области увеличивается от одного концентрического участка к другому в направлении к управляющему электроду и это увеличение определяется выражением
Δ I = I_p(i-1) - I_pi = (0,8 - 1,2) R_mI_эi²/
/R_sp (1/b_in_i - 1/b_i-1n_i-1) x n_j , (1)
^j=iгде R_sp, R_m - поверхностное сопротивление базовой области и листовое сопротивление слоя металлизации базовой области соответственно.

I_э - длина эмиттеров;
k - число концентрических участков;
I_pi, I_p(i-1) - ширина неметаллизированной части базовой области i-го и (i - 1)-го концентрического участка соответственно;
n_i, n_i-1- число эмиттеров в i-м и (i - 1)-м концентрическом участке соответственно;
b_i, b_i-1 - ширина слоя базовой металлизации между эмиттерами, соответственно i-го и (i - 1)-го концентрического участка.

Граничные значения коэффициента, равные 0,8-41,2 , в выражении (1) выбраны из следующих условий. При значениях I_p < <0,8I_p и I_p > 1,21I_p (I_p - расчетное значение) становится заметным уменьшение стойкости тиристора к эффекту di/dt при включении, а также уменьшение запираемого тока при выключении, как это было установлено при экспериментальных исследованиях на тестовых структурах, содержащих эмиттерные участки с различающимися значениями I_p.

Допустимый предел значений I_p = (0,8- 1,2) I_p находится в пределах технологических возможностей обеспечения заданных значений I_pпри выполнении фотолитографических процессов по слоям диоксида кремния пассивирующего n⁺-p-переход в месте его выхода на поверхность, и слоям алюминия, контактирующим с эмиттерными и базовыми слоями.

Если длина полосок для соседних колец различна, то выражение (1) не остается справедливым, так как при этом будут различны для соседних колец не только значения R_sp и R_m, но и величина базового тока для эмиттерных участков, а это существенно усложняет вид выражения (1). Однако для обеспечения одинаковости базовых токов для эмиттерных участков соседних колец и в этом случае необходимо использовать различную ширину неметаллизированной части p-базы вблизи эмиттерных участков соседних колец I_p.

Формула (1) выведена при следующих допущениях: сопротивление эмиттер-базового p-n-перехода и неметаллизированных участков эмиттеров пренебрежимо мало до момента восстановления блокирующей способности p-n-перехода; сопротивление металлизации базовой области в промежутках между концентрическими участками пренебрежимо мало; последними выключаются элементарные тиристоры под эмиттерами, расположенными в концентрическом участке, ближайшем к управляющему электроду, так как разброс геометрических и электрофизических параметров тиристорной структуры уменьшается в направлении к ее центру; сопротивление протеканию базового тока между металлизациями эмиттера и базовой области в направлении по нормали к границе эмиттера фактически равно лишь сопротивлению в этом направлении неметаллизированной части базовой области r_эбi≃ R_spI_pi/2I_p. Сопротивление металлизации базовой области в радиальном направлении (между эмиттерами) r_mi = R_mI_э/b_i.

В процессе выключения на управляющий электрод подают отрицательное относительно эмиттеров смещение. Ток, протекая от эмиттеров, преодолевает поверхностное сопротивление R_spнеметаллизированной части базовой области и листовое сопротивление R_spметаллизации базовой области. Чем дальше отстоит эмиттер от управляющего электрода, тем больше для него сопротивление R_m, и в соответствии с выражением (1) на столько же меньше сопротивление R_sp. Вследствие этого базовый ток для каждого из множества эмиттеров полупроводниковой структуры одинаков, что позволяет обеспечить при прочих равных условиях одинаковые для всех эмиттеров времена задержки выключения. Благодаря выравниванию базовых токов для всех эмиттеров, независимо от их расстояния от управляющего электрода, обеспечиваются одинаковые времена задержки и при включении.

Основные топологические параметры приведены в таблице для запираемых тиристоров на основе полупроводникового структуры диаметром 56 мкм.

Значения Δ I_p = I_p(i-1) - I_pi приведенные в таблице, получены расчетным путем из выражения (1), при этом R_sp = 25 Ом/□ , R_m = 2,5 10^-3 Ом/□ I_э = 4 мм, К = 4.

Данные расчета значений I_p вводились в программу управления установкой типа "Кулон" изготовления фотошаблонов. Соответствующие размеры I_p обеспечивались при фотолитографических процессах с использованием фотошаблонов, изготовленных по заданной программе.

Испытания опытной партии предлагаемых запираемых тиристоров показали, то допустимая (гарантированная) скорость нарастания тока di/dt при включении повысилась в среднем до 100 А/мкс, а максимальный повторяющийся запираемый ток в среднем составил I_ТОМ = 1600 А, в то время как тиристоры по известному решению имели (di/dt)_ДОП ≃ 500 А/мкс и 1_ТОМ < 1250 А. (56) Авторское свидетельство СССР N 711967, кл. H 01, L 29/743, 1978.
Bechteler V. "Nhe Gate turn off thyrystor" Siemens Forschund Entwicklung Berlin, 1985, Bd. 14, N 2, pp. 39-44.

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, к силовым запираемым тиристорам. Цель изобретения - повышение стойкости к высоким скоростям нарастания анодного тока при включении и повышение допустимого значения запираемого тока. Запираемый тиристор содержит полупроводниковую структуру со множеством радиальных полосковых эмиттеров 1, сгруппированных в несколько концентрических участков 1, 1 - 1, 1 - 2. В пределах этих участков эмиттеры имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому. Эмиттеры снабжены металлизацией 2. Базовая область 3 охватывает эмиттеры, снабжена металлизацией 4 и контактирует с управляющим электродом 5. Ширина неметаллизированных частей базовой области в пределах каждого из концентрических участков одинакова, но увеличивается от одного концентрического участка к другому в направлении к управляющему электроду. Это увеличение определяется выражением Δl=l_p(i-1)-l_pI= (0.8-1.2)R_ml_эI/R_sp(1/b_in_i+1/b_i-1n_i-1)× , где I_pI - ширина неметализированной части базовой области i-го кольца, I_p(i-1) - то же для соседнего кольца, расположенного ближе к управляющему электроду R_sp, R_m - поверхностное (листовое) сопротивление базовой области и слоя металлизации базовой области соответственно, I_э - длина эмиттерных участков n_I, n_i-1 - число участков в i-м и (i - 1)-м кольце, b_i, b_(i-1) - ширина слоя металлизации базовой области между эмиттерными участками i-го и (i - 1)-го кольца, k - число концентрических колец. Изобретение позволяет получить выравнивание базовых токов для всех эмиттеров, независимо от их расстояния от управляющего электрода, что обеспечит одинаковые времена задержки при включении и выключении тиристора. 3 ил. , 1 табл.

СИЛОВОЙ ЗАПИРАЕМЫЙ ТИРИСТОР, содержащий полупроводниковую структуру со множеством радиальных полосковых эмиттеров, сгруппированных в несколько концентрических участков, в пределах которых эмиттеры имеют одинаковые размеры и расположены под равными углами один к другому, и базовую область, охватывающую эмиттеры и снабженную металлизацией, контактирующей с управляющим электродом, причем ширина неметаллизированных частей базовой области в пределах каждого из концентрических участков одинакова, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости к высоким скоростям нарастания анодного тока при включении и повышения допустимого значения запираемого тока, ширина неметаллизированных частей базовой области увеличивается от одного из концентрических участков к другому в направлении к управляющему электроду, при этом разность ширин для соседних концентрических участков определяется из выражения
ΔI= I_p(i-1)-I_pi= (0,8-1,2)R_mI2э

_i/R_sp(1/b_in_i-1/b_i-1n_i-1)nj
где l_pi, l_p(_i-1) - ширина неметаллизированной части базовой области i-го и (i - 1)-го кольца соответственно;
l_э - длина эмиттеров;
n_i, n_i-1 - число эмиттеров в i-м и (i - 1)-м кольце соответственно;
K - число концентрических участков;
b_i, b_i-1 - ширина слоя металлизации базовой области между эмиттерами в i-м и (i - 1)-м кольце соответственно;
R_sp, R_m - поверхностное сопротивление базовой области и слоя металлизации базовой области соответственно.