Полупроводниковый прибор "Дефензор Советский патент 1987 года по МПК H01L29/70 

1

Pui.f

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, к конструкциям полупроводниковых приборов, предназначенных для коммутации в цепях переменного напряжения.

Известны силовые полупроводниковые приборы с р-п-переходами, обладающие семейством N-образных вольтамперных характеристик, которые могут автоматически выключаться при токовой перегрузке, уровень которой задается при помощи дополнительного управляющего электрода. Однако эти приборы не могут использоваться в цепях переменного напряжения, а встречно-параллельное или встречное включение их для решения указанной задачи невозможно без дополнительного включения в их силовые цепи диодов, что значительно ухудшает технико-экономические показатели коммутационных устройств. Наиболее близким к предлагаемому является прибор с коллектором, в котором расположена приконтактная область с повьшенной концентрацией легирующей примеси, базой, эпитаксиаль ным эмиттером с областями повьшенной концентрации легирзгющей примеси, во.круг которых расположены области про тивоположного типа проводимости с электродными выводами. Этот прибор может быть использован для коммутаци в цепях переменного напряжения, одна ко он не обладает двумя устойчивыми состояниями, подобно симмисторам, и не мОжет управляться импульсными командами . Цель изобретения - обеспечение ав томатического самоотключения при токовой перегрузке независимо от поляр ности приложенного к коллекторной и эмиттерной областям напряжения. Указанная цель достигается благодаря тому, что в полупроводниковом приборе с коллектором, в котором рас положена по крайней мере одна прикон тактная область с повьш1енной концент рацией легирующей примеси, базой, эпитаксиальным эмиттером с областями повышенной концентрации легирующей примеси, вокруг которых расположены области противоположного типа проводимости,часть которых снабжена электродным выводом, в коллекторе и эмиттере сформированы дополнительные транзисторшз1е структуры, расположенные вокруг приконтактных областей,

эмиттеры дополнительных транзисторов частично зашунтированы металлизацией с их базами и объединены металлизацией в групповой электрод управления со стороны коллекторной области и групповой электрод управления его стороны эмиттерной области.

Благодаря этому управляющими (первым и вторым ) электродами, независимо от поля-рности приложенного напряжения, возможно пропустить ток управления после команды, подаваемой на Отдельный (третий)управляюЩий электрод. При этом ток через первый и второй электроды зтгравления будет поддерживаться (при отсутствии токовой перегрузки в цепи коллектор эмиттер) самостоятельно, как в симметричном тиристоре (независимо от полярности приложенного напряжения/. В закрытом же состоянии прибора даже при закорачивании первого управляющего электрода со вторым ток в их цепи невозможен, так как соответствующие управляющие р-п-переходы включены встречно. Так как падение напряжения между первым и вторым управляющим электродами сравнительно мало (1-2 В), то при возникновении токовой перегрузки по цепи коллектор - эмиттер при условии, что ЭДС источника зшравляющего напряжения значительно менее величины напряжения силового-источника, увеличится падение напряжения на толще коллекторного или эмиттерного слоев, что приведет к выключению многослойной управляющей структуры и разрыву тока управляющих электродов, что вызывает и спад силового тока через цепь коллектор - эмиттер. Структура прибора показана на фиг. 1, вольтамперная характеристика прибора (анодная или коллекторная) при различных токах управляющих электродов - на фиг. 2. Прибор содержит высокоомную коллекторную область I, базу 2, эпитаксиальньй эмиттер 3, приконтйктные области коллектора с повышенной концентрацией легирующей примеси 4 (р или п ), приконтактные области эмиттера с повышенной концентрацией легирующей примеси 5, области противоположного типа проводимости ( по отношению к коллекторной или эмиттерной 6, 7) с эмиттерными областями 8, 9 (частично защунтированными с областями 6, 7), отдельные области 10 противоположного к эмиттеру типа про водимости, коллекторный электрод I1, эмиттерный электродный вывод 12, первый управляющий электрод 13, второй управляющий электрод 14, электрод (пусковой электрод) 15.

Прибор может быть-изготовлен на основе кремниевой монокристалдической подложки п-типа, на которой в эпитаксиальном реакторе выращиваются области базы 2-р-типа и эмиттера 3п-типа; после этого поверхность исходного коллектора может быть подшифована для получения симметричной п-р-п-структуры. Области 4-10 могут быть получены методами планарно диффузионной технологии. Металлические контакты могут быть образованы широ-. ко известными методами осаждения под ходящих металлов и фотографировкой. Шунтировка эмиттерньк областей 8, 9 должна быть частичной для того,чтобы указанные эмиттеры были способны инжектировать основные носители при приложении к электродам 13, 14 напря жения соответствующей полярности (после пуска прибора). Наиболее целесообразным являются выполнение эмиттеров внутри каждой области 6 (или 7) в виде множества прямоугольников, а в качестве шунта использовать участки области 6(7), расположенные между некоторыми из указанных прямоугольников. Такая конструкция позволит осуществить равномерную ин жёкцию неосновных носителей от об: ласти 6 (7) к базе 2 при приложении к области 6 (7) положительного управляющего напряжения (после пучка прибора). Нагрузка и силовой источник переменного напряжения подсоединяются к электродным выводам 11, 12, которые можно называть анодным и катодным вы водами ( рши коллекторным и эмиттерным); независимым, источник переменного напряжения через балластное сопротивление соединяется с управляющи ми электродами 13, 14. Фазировка ука занных источников выбирается таким образом, чтобы положительное напряжение одновременно присутствовало на электродах П, 13 или на 12, 14. Дпя пуска прибора,, независимо от полярности напряжения на электроде 1 подают импульс напряжения положитель ного (относительно электрода 12) на.

пусковой электрод 15. При этом инжектируемые областью 10 дырки достигают базы 2, включая симметричный транзистор 4-1-2-3-5 и вызывая кратковременное снижение потенциала между электродами 11 и 12, а также включение составных транзисторов 3-7-8, 1-6-9 вследствие пролета неосновных носителей к близлежащим управляющим структурам. При положительном потенциале на электроде 13 включается многослойная р-п-р-п-р-п-структура 6-1-2-37-7, а при положительном напряжении на эле1ктроде 14 структуры 7-3-2-16-9, которые ведут себя аналогично четырехелоиной обычной структуре тиристора, т.е. обеспечивают два устойчивых состояния: открытое: и закрытое. При включенном состоянии одной из этих многослойных структур инжекция неосновных носителей из областей 6, 7 обеспечивает питание дырочным током базы 2. При возрастании тока в цепи между электродами 11-12 и ограниченном токе в цепи управления между электродами 13-14 количество неосновных носителей, питающих базу 2, становится, недостаточным для поддержания трехслойной 1-2-3 структуры в состоянии насыщения, что приводит к увеличению разности потенциалов между электродами 11-12 и повьщ1ению падения напряжения на толще области 1 или 3 в зависимости от полярности напряжения на электродах 11, 12. Это явление приводит к уменьшению тока неосновных, носителей, инжектируемых областью 6 или областью 7, что в свою очередь вызывает повышение напряжения между электродами 1 1 ,12.В этом случае,когда напряжение источника,питающего электрот ды 13., 14, ограничено и значительно менее , чем напряжение источника, питающего силовые электроды 11, 12, описанный процесс, автоматически продолжаясь, приводит к полному выключен ;НИю тока через прибор и заблокирова ю высоким напряжением одного из р-п-переходов 6-1 или 7-3, т.е. вызывает переключение прибора в устойчивое закрытое состояние. По этой же причине принудительного отключения прибора можно достичь при любой фазе тока через силовые электроды 11, 12, прерывая ток в цепи управляющих электродов 13-14 или закорачивая их мегвду собой. Таким образом, в прибо

Полупроводниковый прибор,, содержащий коллектор, в котором расположена по крайней мере одна приконтактная область с повышенной концентрацией легирующей примеси, базой, эпитаксиальным эмиттером с областями повьппенной концентрации легирующей примеси, вокруг которых расположены области противоположного типа проводимости, часть которых .снабжена электродным, выводом, отличающийся тем, что, с целью обеспечения автоматического самооткхпоченйя при токовой перегрузке независимо от полярности приложенного напряжения ;между эмиттером и коллектором, в коллекторе и эмиттере сфармированы дополнительные транзисторные структуры, расположенные вокруг приконтактных областей, эмиттеры дополнительных транзисторов частично зашунтированы металлизацией с их базами и объединены металлизацией в групповой элект-ф род управления со стороны коллектора (Л и групповой электрод управления со стороны эмиттера.