(.54) СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
ПРИБОРА
Изобретение отнрсится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании мощных коммутаторов наносекундного диапазона.,
Широко известен способ переключения полупроводникового прибора с несимметричньом блокирующим ря -переходом, например Тиристора и транзистора, у которых блокирующий коллекторный рУ1 -переход образован узким сильнолегированным слоем Р-типа и широкой слаболегированной базой и-типа, заключающийся в том, что переключение из блокирующего в проводящее состояние производят путем освещения прибора импульсом света, направленным .перпендикулярно коллекторному ри -переходу со стороны сильнолегированного слоя . Длина волны света обычно, выбирается такой, чтобы практически весь свет поглощался в узком сильнолегированном слое. В этом случае весь фототрк в тиристоре, например, является-управляющим током составляющего транзистора с узкой базой. Поэтому для инициирования переключения требуется очень малая энергия светового импульса, но сам процесс nepeKJTO4eHHH, т.е. процесс заполнения.
электронно-дырочной Плазмой широкой слаболегированной базы, осуществляется сравнительно медленным процессом диффузии плазьЫ, инжектированной эмиттерными слоями.
Наиболее близким известным способом переключения полупроводникового приборас несимметричным блокирующим ри-переходом из запирающего в проводя10цее состояние путем освещения прибора импульсом света, направленным neprj eHдикулярно блокирующему рп -переходу со стороны сильно легированной узкой базы и обеспечивающим генерацию боль15шого количества Носителей, достаточного для непосредственной модуляции слаболегированной базы Сз.
Этот способ обеспечивает быстрое переключение,т.е. заполнение слаболеги
20 рованной базовой области электроннодырочной плазмой, практически со скоростью нарастания импульса света . Допустимая величина коммутируемого тока и скорость его нарастания могут быть
25 очень велики, поскольку импульс света обеспечивает одновременное переключение прибора на большой, площади.
Однако освещение прибора со стороны сильнолегированной узкой базы при30водит к потере света вследствие нефотоактианого поглощения а п.лмеси в этой с.азе и усиления г.оглогцения в области сильного ноля ypvi -переход (эффект Франца-Келдклиа) . Это приводи к ослаблению модуляции слаболегиропаниой базовой области, затягивает процесс переключения и увеличивает ко1-4мутацион№1е потери.
Цель изобретения ускорение процесса переключения и уменьшение коммутационных потерь.Цель достигается тем, что переход .освещают со стороны слаболегированно области световыг потоком, соответствующим условию ct ( X) W - 1-2, причем интенсивнос ь излучения создает минимальную концентрациюносителей заряда в слаболегированной области ме нее 10° более момент окончания импульса света, где с((Л)- коэффициент поглощения света длиной волны X в материале слаболеги рованной области; W - толщина этой .;6ласти, равная ширине области пространств«:нного заряда при приложении полного блокируемого напряжения.
Па фиг. 1 схематично изображена тиристорная p При - структура, пере лючаемая По предлагаемому способу; на фиг. 2 - 4 - осциллограммы процесса спада напряжении при переключении молуттроводникового прибора.
На схеме дп ни . pt структура ФотоНриемиое окно 2, металлический токоотвоппщнй контакт 3, термокомпенсатор 4, .
Для освещения со стороныслаболе1иропанной базы в р -слое имеются окна,.2, являющиеся фотоприемными плоinajjKaMH, вокруг которых расположен р -слой, покрытый токоотводящим контактом 3, выполненным, например, из мягкого легкоплавкого металла (олово, индий и т.п.). Диаметр d фотоприемного окна выбирается не более толщины нирокой базы для того, чтобы напряженность поля создаваемого током, текущим к металлическому контакту, не была слишком большой. Расстояние между центрами фотоприемных площадок L -уТ- d выбрано так, чтобы площадь кольца, окружающего каждую площадку, равнялось площади самой пл щадки; это обеспечивает примерно равную плотность тока в приборе как под фотоприемной площадкой, так и nds металлическим контактом. Центры фотоприемных площадюк являются вершинами равносторонних треугольников со стороной L , что обеспечивает наилучше использование площади прибора. Аналогичное конструктивное выполнение имеет диодная и транзисторная pvin структурн; фотоприемные площадки р этих структурах являются окнами, в которых слаОолегированная И -база выходит к поверхности сквозь сильнолегированный |1 -слор.
Согласно предлагаемому способу,освещение описанных выше структур произ водят со стороны слаболегирова.нного базового слоя, что позволяе устранить потери света, связанные с нефЬтоактивным поглощением на примесях в сильнолегированном слое и усиленным поглощением в областисильного поля у ри -перехода (эффект Франца-Келдыша). В слаболегированном слое интенсивность света падает по закону
I (х) I ехр -о(Х). х.
а концентрация генерируемых светом носителей - по закону
N(x) (Л)-х.
где а/(Л) - коэффициент поглощения в материале освещаемого слоя, зависящий от длины волны; (Q - интё}1.:ивность освещения на поверхности;
Ng - поверхностная концентрация генерируемых светом носителей. Длину волны света выбирают из условия ci(x) ГД6 толщина слаболех ированного слоя; при выполнении этого условия основная часть света погло1цается в слаболегировгшном слое, а концентрация у освещаемой и противоположной поверхностей отличаются не более, чем в 3-10 раз. Размер W выбирается равнКМ ширине области пространственного заряда при полном блокируемом нaпг fжeнии V из соотношения
, «
где -Е и N ,- диэлектрическая проницаемость и концентрация легирующей примеси материала;
q - заряд электрона. Такой выбор W обеспечивает возможность получения малого остаточного напряжения в освещенном состоянии при большой величине блокируемого напряжения в неосвещенном состоянии. Интенсивнос.ть излучения l выбирают из соотно1:ения N(W) сА ехр il-oL(A-) wj так, N(W) 5 см , т.е., чтобы с одной стороны, обеспечить достаточно глубокую модуляцию проводимости слаболегированной области по всей толщине, с другой - избежать излишних потерь света, обусловленных Оже-рекомбинадией. Как известно, при концентрации N 5 -10 сКГ время жизни носителей в большинстве практически важных полупроводников становится порядка едияиц - сотен наносекунд, и, следовательно, дальнейшее увеличение концентрации может быть достигнуто только за счет неоправДанно большого увеличения интенсивности света. Кроме того, при плотности излучения .света, соответствующей - 10 возникают явления деградации поверхности полупро-«а, водников. Если материалом слаболеги.рованного слоя является кремний,То
:наиболее удобным источником света будет ниодимовый лазер с Х 1,06 мкМ. При этом L -10 см и, из соотношения
(Aw « 1, W Д мм и полное блокируемое напряжение V 9 ЛОГ В при Nj, 9-10 см Предельная величина коммутируемого тока может быть очень велика, поскольку все фотоприемные площадки коммутируются строго одновременно, и поэтому количество одновременно коммутируемых площадок ограничивается, в принципе, лишь мощностью источника света
Простейшей структурой, которую можно переключать предлагаемым способом, является р « -диод. Однако, в этом случае предельная длительность импульса тока в цепи и величина остаточного напряжения определяются количеством носителей-, созданных импулёсом света. Более перспективными .структурами для переключателя являются транзисторная (И pvih+) и тиристорная (м-«-ру1р - или tt-«-pMy)p+), в которых при протекании импульса тока
осуществляется введение в слаболегированную область дополнительно к носи телям, созданным светом, еще и носителей, инжектируемых прямосмещенными эмиттерными переходами и быстро затягиваемых полем вглубь базовой области.
На фиг, 2 - 4 приведены осциллограммы процесса спаДа напряжения при
переключении диодной (фиг. 2J и тиристорной (фиг. 3) структур, переключаемых согласно предлагаемрму способу (кривые 5 и 7) и по способу, являющемся прототипом (кривые б и 8). Структуры переключались импульсом ниодимового лазера от блокируемого напряжения 1400 В в цепи с активной нагрузкой, максимальная плотность тока 20 кА/см. в момент времени, отмеченный пунктиром (фиг, 4). Хорошо йидно, что при переключении согласно предлагаемому способу, коммутация осуществляется в 1,5-2 раза быстрее.
а остаточное напряжение в 2-3 раза .меньше, (форма тока указана пунктиром, лазерного импульса штрихпунктиром 9). в даь-Яом опыте )- W 1,05. Концентрация созданных светом носителей в момент окончания импульса света составляет 10 СМ-
Таким образом данный способ переключения полупроводниковых приборов
to позволяет повысить скорость коммутации в 1,5-2 раза, снизить остаточное напряжение в 2-3 раза, что открывает для него широкую перспективу для применения в быстродействующих коммутаторах,
Формула изобретения
Способ переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим ри-переходом из запирающего в проводящее состояние путем освещения прибора импульсом света, направленным перпендикулярно блокирующему рп-переходу, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса переключения и уменьшения коммутационных потерь, переход освещают со
стороны слаболегированной области световым потоком соответствующим условию ot(.)- W 1-2, причем интенсивность излучения создает минимальную концентрацию носителей заряда в слаболе гире ванной области не менее 10 не более 5.10 смв момент окончания импульса света, где коэффициент поглСяцения света длиной волны Л в материале слаболегированной областиf W - толщина
этой области, равная ширине области пространственного заряда при приложении полного блокируемого напряжения,
Источники информации,
принятые во-вним&ние при экспертизе 1. Джентри Ф., Гутцвнллер Ф.и др. Управляемые полупроводниковые о вентили. Мир, м., 1967, с. 103. 2.O.S. ZuckerH др. Арр1 . Phyi Letters 29 262, 1976 (прототип).
4
f- l««i«« «r« -Ь ш u. 1.1Ш ш i. р
{//// ТТ //// ///////////
Фи(.
JYefAfcii ef
Л7
