Силовой двухоперационный тиристор Советский патент 1979 года по МПК H01L29/74 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а более конкрет но к двухоперационным приборам, поз воляющим включать цепь тока и преры вать протекание тока. Известны двухоперациомные тиристоры, выполненные на основе многослойной полупроводниковой структуры 1 . Такие двухоперационные тиристоры позволяют отключать ток до 20 А при напряжении, до 400 В и чувствительньа к перегрузкам по току, что уменьшает надежность их работы.. Наиболее близким техническим ре-, шением является -Двухоперационный тиристор, выполненный на оснрве полупроводниковой мояокристаллической структуры, содержит два базовых слоя и два эмиттерньох слоя различного типа проводимости, один из эмиттерных слоев разделен областями изоляции, а также два силовых и управляющий электроды 2 . Этот npH бор расчитан на прерывание тока, до 100 А при напряжении 1000 В. Требующийся для отключения ток управления составляет 20 д.. Для данного прибора ток 100 А является предельным и превышение его лишает прибор возможности занирать ток. Прибор также не способен прерывать ток, в случае локального перегрева структуры вследствие неравномерного распределения тока по отдельным частям разделенного катодного эмиттера. Повышенная плотность тока может возникнуть в отдельных частях разделенного эмиттера, когда отдельные его части остаются в запертом состоянии, например при недостаточной величине импульса управления и.пи при медленном нараЪтанйи тока силовой цепи. Кроме того, для данного прибора требуется относительно большая величина тока управления, поскольку коэффициент усиления по току управления не превышает пяти при отключении тока силовой цепи. Целью настоящего изобретения является увеличение отключаемого тока, уменьшение требуемой мощности управления и повышение надежности.Указанная цель достигается тем, что второй эмиттерный слой разделен на части областями .изоляции, а в базовых слоях образованы дополнительные области первого и второго вида, имеющие геометрическую длину вдоль р-п перехода не меньшую чем 3 утроенная диффузионная длина неоснов ных носителей в материале данной области,концентрация легирующей примес . и .областях первого вида не превышает концентрацию ;тех же примесей соответствующего базового слоя, ко,нцентрация металлической примеси в областях второго вида не менее 10 ат/см, .к каждой области изоляции в эмиттерйых примыкают область перв.ого вида, второго вида и расположенная между ними область соответствукяяего базового слоя; к каждой части эмит терных слоев примыкает соответствую1цая область базы, области первого и. второго вида одного базового слоя примыкают к противоположным областям второго базового слой; прймьакакЙ1нё к областям изоляции и примыкающие к частям эмиттерных-слоев основные области различных базовых слоев при мыкают друг к другу; электрод управления подключен, по крайней мере, к одной основной области базового слоя, примыкающей к области изоляции В эмиттерном слое.. Основные преимущества предлагаемо го прибора определяются следующими особенностями конструкции. Увеличение рабочегр и отключаемого тока достигается за счет разделения базовых и эмиттершлх слоев на отдельные части с обеспечением равномерного распределения тока по ним. Дпя повы шения MotftHOCTH прибора достаточно увеличить площадь структуры и количество указанных частей. Уменьшение требуемой мощности управлени достигается за счет каскадного .соединения, . частей, при котором ток данной отпертой части обеспе чивает поддержание отпертого состояния следующей части. Поэтетлу для от пирания и запирания прибора д;остаточен сигнал, обеспечивающий отпира ние или запирание только одной части структуры. Повьниение надежности обеспечивается наличием только односторонней связи между частями структуры (двусторонняя регенеративная ев я зь .отсутствует). При этом нахождение в отпертом состоянии одной части стру туры (или в запертом состоянии), обеспечивает отпертое - (или запертое) состояние всего прибора. На чертеже показано сечение част структуры двухоперационного тиристо Силовой двухоперационный тиристо выполнен на основе чetыpexcлoйнoй полупроволникобой структуры 1, содержащей базовый- слой 2 р- типа« проводимости и.базовый слой 3 п- ти па проводимости,: эмиттёрный слой катодный 4 п- типапровбдймбсти и эмиттерный слой анодный 5 р- типа проводимости, п-р переход б, р-п пе реход 7, п-р переход 8. Слой струк8туры разделены на части - 9 - 11 (слой 4) , области 12-17 (слой, 2) , области 18-23 (слой 3), части 2426 (слой 5) .. Между областями каждого базового слоя расположены поочередно области первого вида 27-31, , ограничивающие, протекание .носителей заряда до уровня, не вызывающего регенеративного усиления тока инжекции прилегающего эмиттерного слоя, и области второго вида 32-36, обеспечивающие электрические соединения и допускающие протекание носителей заряда только одного знака. Области базового слоя 2 одну 13, 15 и 17 соединены через части 9, 10, 11 эмиттерного слоя 4 и инжектирующие контакты 37-39 с силовым электродом (катодом) 40, а области базового слоя 3 также через одну 18, 20, 22 соединены через части 24, 25, 26 эмиттерного слоя 5 и инжектирующие контакты 41-43 с силовым электродом (анодом) 44. остальные области базовых слоев и области- первого и второго вида изолированы от силовых электродов 40 и 44 областями изоляции 45-50 в эмиттерных слоях. Соединенные с силовЕлм электродом 40 области 13, 15 и 17 базового слоя 2 прилегают к изолированным от силового электрода 44 областям 19, 21, 23 базового слоя 3 и наоборот соединенные с силовым электродом 44 области 18, 20 к 22 слоя 3 прилегают к изолированньм от силового электрода 40 областям 12,14 и 16 базового слоя 2. области первого вида 27-31 примыкают к областям второго вида 32-36. Электрод управления 51 подключен к изолированной от силового электрода 40 .области 12 базового слоя. Не показанная на чертеже остальная часть структуры 1 выполнена аналогичным образом. Работа прибора происходит следующим образом. При наличии положительного напряжения на аноде 44 и отрида тельного на катоде 40 на переходе 7 образуется запорный слой. После подачина электрод управления 51 положительного по отношению к катоду напряжения от электрода 51 проходит ток через Область второго вида 32 к части 9 .катодного эмиттера 4 Инжектированные последним электроны поступают также и К участку р-п перехода 7 областями 13 и 19 базовых слоев, увлекаются полем слоя объемного заряда в базовую область п- типа и через область второго вида 35 достигают части 25 анодного эмит- тёрного слоя. JSf-ipKjf, инжектируемые частью 25, вследствие протекания указанного электронного тока проходят через участок п-р перехода 7 между рбдастями 20 и 14 и вызывают пр.отекание тока в области второго вида 33 который обуславливает инжекцию электронов из следующей части катодного эмиттера 10. В свою очередь этот электронный ток проходит через участок перехода 7 между областями 15 и 21 к области второго вида 36, достигая следующей части 26 анодного эмиттера, ток инжекции которого передается на последующие части структуры. При величине тока носителей заряда, проходящего через участок п-р перехода 7, характеризуемой коэффициентом ,5 по отношению к току соответствующей, части эмиттерного слоя, процесс распространяется на все части структуры и тиристор переходит в отпертое состояние. .

Если части структуры соединены в замкнутую кольцевуюцепь, то ток последней части стр;уктуры поддерживает отпертое состояние первой части (к которой подведен электрод управления) и управляющий сигнал может быть снят при сохранении отпертого состояния прибора. Если на управляюощй электрод при отпертом состоянии прибора подать отрицательный импульс напряжения, то носители заряда/ инжек±ируемые эмиттером первой части структуры за счет тока последней части, будут экстрагиров аться током электрода управления и перестанут поступать на электрическое соединение с последующей частью, что в свою очередь вызовет прекращение инжекции эмиттера следующей част и запирание ее, а за ней и всех остальных частей.

Если участки структуры соединены в разомкнутую последовательную цепь, т.е. части структуры/к которьм прикладывается сигнал управления не имеют электрической связи с првдцюствующими частями структуры, то тогда требуется приложение сигнала управления в течение всего времени, когда требуется сохранение отпертого состояния прибора. Запирание прибора достигается прекращением тока управляющего сигнала.

Для достижения большего быстродействия прибора и повышения его стойкости в отношении скорости нарастания тока силовой цепи при отпирании прибора, электрода управления Хогут располагаться не на одной, а на нескольких областях одного или Обоих базовьк слоев.

Указанные области первого вида могут быть образованы путем в полупроводниковый материал данного баровоз;ю слоя примерей, созданячих прртивопбложкый тип проводдалости и образования п-р-п или р-п-р переходов путем протравливания толщи материала данного слоя и введения диэлектрических перегородок или из полупроводникового материала данного слоя при геометрической длине област

не менее, чем устроенная диффузионная длина неосновных носителей заряда в материале данного слоя. Уменьшение диффузионной длины может быть выполнено с помощью любого известного в полупроводниковой технологии метода, например радиационным облучением/ допированием/ термообработкой.

Области второго вида могут быть образованы как диффузией металлических примесей/ так и металлическими слоями гребенчатой )ормы, простирающимися по поверхности базовых слоев или поперечными металлическими соединениями в толще базы,

Формула изобретения

.Силовой двухоперационный тиристору выполненный на основе полупроводниковой монокристаллической структуры, содержащей два базовых слоя, и два эмиттерных слоя различного типа проводимости/ один из эмиттерных слоев разделен областями изоляции, с двумя силовыми и управляющим электродами, отличающийся тем, что/ с целью увеличения отключаемого тока/ уменьшения требуемой мощности управления и повыиения надежности/ второй эмиттерный слой разделен на части областями изоляции/ а в базовых слоях образованы дополнительные области первого и второго вида, имеющие геометрическую длину вдоль р-п перехода не меньшую, чем утроенная диффузионная длина неосновнык носителей в материале данной Ьбласти,концентрация легирующей примеси в областях первого вида не превышает концентрацию тех же примесей соотвётствугацего базового слоя, концентрация металлической примеси и областях второго вида не менее 10 ат/см; к каждой области изоляции в эмиттерньЬс слоях примыкают область первого вида, второго вида и расположенная между ними область соответствующего базового слоя; к каждой части эмиттерных слоев пршвакает соответствующая область базы, области перв.ого и второго вида одного базового слоя примыкают к противоположным областям второго базового слоя; примыкающие к областям изоляции и примыкающие к частям эмйттерйых слоев основные области различных базовых слоев примыкают друг к другу, электрод управления подключен, по крайней мере, к одной основной Области базового слоя, прймлкающей к области изоляции в эмиттерпом слое,

ИсточГйики информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США 3 699 406/ кл. S17-235, 1972.

2.Патент США 3 609 476, кл. 317-235-R/ 1969.

S 145 15 37

-i;::xx/x /xil - P/ / Af

X X ,:. r 4 /.. Л ..-.- :

f

Я 111 rrx 1 I к N ч I К

fiut.y.T.n ;-k4M.

. Л/ J-J J X - jf -f X

«7 /7 Л

«r /5

jiy

5

Л 9 4f 20

23

22

гб 3f