ФОТОТИРИСТОР

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися типами электропроводности с оптическим управлением (оптронных тиристоров и динисторов, фототиристоров), приборов с элементами самозащиты от пробоя.
Известна конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя при перенапряжении в прямом направлении (патент Японии (В2) №62-52953, кл. H01L 29/74, опубл. 17.11.87 г.), выполненная на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, которые сформированы между двумя металлизированными поверхностями, и фоточувствительную область под углублением в центре первого слоя, достигающего второго слоя. Участки второго слоя, выполненные в виде секторов и расположенные на равном расстоянии от фоточувствительной области, делят первый слой на полоски, радиально расходящиеся от участка первого слоя вокруг фоточувствительной области, при этом сектора второго слоя выходят на ту же металлизированную поверхность, что и первый слой. Узкие канавки вскрывают общую металлизацию первого и второго слоев на продольных участках полосок первого слоя.
Недостатком конструкции является наличие высокопроводящего слоя металлизации на радиально расходящихся полосках первого слоя.
Следствием этого является:
1) низкая скорость распространения включенного состояния прибора, обусловленная диффузионным механизмом движения электронно-дырочной плазмы во втором и третьем слоях вдоль полосок первого слоя;
2) повышенный риск разрушения полупроводниковой структуры из-за локального перегрева области первоначального включения, что сказывается на качестве и надежности прибора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является фототиристор с самозащитой от пробоя (полезная модель RU №51442, кл. H01L 29/74, опубл. 10.02.06 г.), выполненный на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между двумя металлизированными поверхностями, фоточувствительную область в центре полупроводниковой структуры, окруженную участком первого слоя с радиально расходящимися от него полосками того же слоя, разделенными между собой участками второго слоя, поверхность которых частично или полностью свободна от металлизации, гальванически связанной с металлизацией первого слоя, с которым соединены радиально расходящиеся полоски.
Одним недостатком такой конструкции является необходимость высокой точности юстировки оптической системы прибора относительно фоточувствительной области полупроводниковой структуры. Следствием нарушения юстировки оптической системы фототиристора является:
а) асимметрия включения полупроводниковой структуры вдоль радиально расходящихся полосок слоя;
б) повышенный риск разрушения полупроводниковой структуры из-за локального перегрева того участка области первоначального включения, к которому смещен максимум оптической энергии источника управления.
Другим недостатком прототипа является относительно низкий коэффициент «собирания» фототока коллекторного p-n-перехода, который генерируется при подаче в фоточувствительную область прибора оптического сигнала управления. За коэффициент собирания принято отношение доли фототока p-n-перехода между вторым и третьим слоями полупроводниковой структуры, поступающей в область первоначального включения, к общему фототоку коллекторного p-n-перехода. Представления о коэффициенте собирания применимы и при рассмотрении физических процессов в приборах с самозащитой от пробоя в режимах переключения по аноду при перенапряжении или воздействии напряжения, нарастающего со скоростью превышающей
D
D
crit
критическую скорость нарастания прямого напряжения dU/dt>(dU/dt) [В/мкс] с той разницей, что в коллекторном p-n-переходе генерируется лавинный или емкостный ток, выполняющий функцию тока управления при защитном включении. Таким образом, коэффициент собирания фототока (или защитного тока) коллекторного p-n-перехода определяет эффективность конструкции фоточувствительной области фототиристора с самозащитой от пробоя. Коэффициент собирания фототока прототипа не очень большой вследствие сильного легирования участков второго слоя, разделяющих радиально расходящиеся полоски первого слоя. Кроме того, дополнительные потери фототока будут возникать в вариантах конструкций фототиристоров с гальванической связью участков второго слоя, разделяющих радиально расходящиеся полоски первого слоя, с металлизацией первого слоя.
T
crit
Все это ведет к уменьшению критической скорости нарастания тока в открытом состоянии (di/dt) [А/мкс], ухудшению защитных показателей, снижению качества и надежности прибора.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
1) Снижение требований высокой точности юстировки оптической системы фототиристора;
2) увеличение фоточувствительности прибора при сохранении температурной устойчивости;
T
crit
3) увеличение (di/dt);
4) повышение эффективности самозащиты прибора от пробоя при переключении по аноду;
5) повышение качества и надежности приборов.
Технический результат в предлагаемой конструкции достигается тем, что в фототиристоре, выполненном на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированными между двумя металлизированными поверхностями, фоточувствительную область в центре полупроводниковой структуры, окруженную участком первого слоя с радиально расходящимися от
него полосками того же слоя, разделенными между собой участками второго слоя, поверхность которых частично или полностью свободна от металлизации, гальванически связанной с металлизацией первого слоя, с которым соединены радиально расходящиеся полоски, участок первого слоя, окружающий фоточувствительную область, снабжен замкнутой полоской металлизации, не связанной гальванически со вторым слоем, а радиально расходящиеся от него полоски первого слоя соединены между собой, по меньшей мере, одной замкнутой полоской того же слоя.
К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение от прототипа, относятся:
- наличие замкнутой полоски металлизации на участке первого слоя, окружающем фоточувствительную область, при этом полоска металлизации не связана гальванически со вторым слоем;
- наличие, по меньшей мере еще одной замкнутой полоски первого слоя, соединяющей радиально расходящиеся полоски того же слоя от участка первого слоя, окружающего фоточувствительную область.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Положительный эффект достигается за счет:
а) фиксации границы фоточувствительной области замкнутой полоской металлизации, непрозрачной для оптического излучения, что исключает асимметрию включения фототиристора вдоль радиально расходящихся полосок первого слоя;
б) выравнивания электрических потенциалов на равноудаленных от центра фоточувствительной области участках радиально расходящихся полосок при наличии замкнутой полоски того же слоя, соединяющей эти полоски между собой, и замкнутой полоски металлизации вокруг фоточувствительной области, что является дополнительным фактором синхронизации процесса распространения включенного состояния фототиристора вдоль радиально расходящихся полосок первого слоя;
D
crit
в) повышения эффекта «собирания» фототока коллекторного p-n-перехода между вторым и третьим слоями при оптическом управлении и токов защитного включения при переключении по аноду вследствие перенапряжения или воздействия быстро нарастающего напряжения со скоростью, превышающей (dU/dt), что увеличивает фоточувствительность и первоначальную площадь включенного состояния.
На фиг.1, 5, 12 показаны варианты полупроводниковой структуры фототиристора предлагаемой конструкции в плане со стороны металлизированной поверхности первого слоя.
На фиг.2, 3, 4, 6-11, 13-15 приведены сечения полупроводниковой структуры (варианты исполнения фоточувствительной области) соответственно по А-А, Б-Б, В-В.
Полупроводниковая структура фототиристора (фиг.1, 5, 12) предлагаемой конструкции содержит четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, где слой 1 n-типа, слой 2 p-типа, слой 3 n-типа, слой 4 p-типа. Слои 1 и 4 являются эмиттерными, а 2 и 3 - базовыми. Все слои сформированы между двумя металлизированными поверхностями 5 и 6, являющимися катодом и анодом соответственно. В центре полупроводниковой структуры находится фоточувствительная область 7, окруженная участком слоя 1, с радиально расходящимися от него полосками того же слоя n-типа. Радиально расходящиеся полоски разделены между собой участками слоя 2, поверхность которых частично или полностью свободна от металлизации, гальванически связанной с металлизацией 5 слоя 1, с которым соединены радиально расходящиеся полоски. Участок слоя 1 вокруг фоточувствительной области снабжен непрозрачной для оптического сигнала управления замкнутой полоской металлизации 8 (далее - металлизация 8), которая выполняет функцию действующей полевой диафрагмы. Металлизация выполнена, например, в виде кольца и гальванически не связана со слоем 2. В то же время, радиально расходящиеся полоски слоя 1 соединены между собой, по меньшей мере, одной замкнутой полоской того же слоя.
D
crit
D
crit
D
crit
Замкнутая полоска выполнена, например, в виде кольца, которое делит участки слоя 2 по отношению к нему на внутренние и внешние. Внутренние участки слоя 2 не связаны гальванически с металлизацией 5 слоя 1. Внешние участки слоя 2, в зависимости от требуемого сочетания параметров оптического управления и электрических характеристик приборов, могут быть гальванически связаны с металлизацией 5 слоя 1 посредством узких поверхностных шунтов 9, которые дают управляемое снижение (dU/dt) центральной части полупроводниковой структуры (элемент самозащиты от пробоя) путем регулирования их электрического сопротивления (фиг.1, 4, 11, 12, 15) или (dU/dt) изменяют при помощи геометрических параметров и уровня легирования внутренних и внешних участков слоя 2 по отношению к замкнутой полоске слоя 1. В другом варианте такая связь может отсутствовать (фиг.5-8), и тогда происходит максимальное снижение (dU/dt) при одновременном увеличении фоточувствительности.
Количество замкнутых полосок слоя 1, соединяющих радиально расходящиеся полоски того же слоя, может достигать 3-4 штук. При большем количестве эффективность полосок уменьшается вследствие снижения плотности тока управления в этих областях. На замкнутых полосках слоя 1 может быть нанесен слой металлизации, не связанный гальванически со слоем 2 (на фигурах не представлено).
Предлагаемое техническое решение конструктивно сочетается с различными вариантами фоточувствительной области и элементами самозащиты от пробоя. Если на фиг.1, 2, 4 участок слоя 2 фоточувствительной области находится в углублении, являющимся элементом самозащиты от пробоя, то в другом варианте (фиг.6-8) этот участок выходит на поверхность слоя 1. На фиг.9-11 данная конструкция дополнена элементом самозащиты от пробоя в виде локального искривления коллекторного p-n-перехода между слоями 2 и 3 в фоточувствительной области выпрямительного элемента фототиристора. На фиг.12-15 приведен вариант конструкции выпрямительного элемента
фототиристора с фоточувствительной областью, выполненной в виде участка слоя 1 n-типа.
Включение фототиристора происходит следующим образом. В исходном состоянии при подаче положительного электрического потенциала на анод 6 (фиг.2, 6, 9, 13) относительно катода 5 в окрестности коллекторного p-n-перехода между слоями 2 и 3, являющимися базовыми в полупроводниковой структуре, образуется область пространственного заряда (ОПЗ) с высоким электрическим сопротивлением. В этом случае фототиристор находится в закрытом состоянии. При подводе оптического сигнала к фоточувствительной области поток квантов света, частично поглощаясь в слоях 1 и 2, достигает ОПЗ. Энергия квантов света вызывает в ОПЗ обратносмещенного коллекторного p-n-перехода процесс генерации пар свободных носителей заряда - электронов и дырок, которые разделяются электрическим полем и выбрасываются в базовые слои 2 и 3. Избыточные электроны в слое 3 и дырки в слое 2 нарушают электрическую нейтральность в этих слоях, что вызывает инжекцию дырок из p-эмиттерного слоя 4 в n-базовый слой 3 и электронов из n-эмиттерного слоя 1 в p-базовый слой 2. При достижении суммарного накопленного заряда в слоях 2 и 3 критического уровня фототиристор переходит в открытое состояние с малым электрическим сопротивлением. Таким образом, фототоки электронов и дырок в указанных слоях, поступающих из коллекторного p-n-перехода, являются базовыми токами управления фототиристора по аналогии с током управления тиристоров, управляемых внешними электрическими сигналами по базовым областям. В обоих случаях эффективность включения приборов определяется в основном зарядом, накопленным в тонком p-базовом слое 2.
Из изложенного следует, что включение происходит в той части полупроводниковой структуры, в которой достигнута критическая плотность тока p-базы и соответственно критическая плотность заряда. Составляющая фототока коллекторного p-n-перехода, не участвующая в этом процессе, радиально растекается по p-базовому слою 2, теряет плотность, и не достигает критического уровня. Это означает, что при повышенных токах растекания для
включения фототиристора (при низком коэффициенте собирания фототока) необходимо увеличить оптическую мощность управления.
В предлагаемой конструкции с замкнутой полоской слоя 1, которая соединяет радиально расходящиеся полоски того же слоя (фиг.1, 5, 12), составляющие коллекторного фототока слоя 2 из участков внутри замкнутой полоски первого слоя являются дополнительными токами управления области фототиристора, ограниченной этой полоской. В результате при той же или меньшей оптической мощности управления появляется дополнительный параллельный проводящий канал, что улучшает динамику процесса включения фототиристора на начальном (наиболее ответственном) этапе: повышение быстродействия, снижение коммутационных потерь, температуры перегрева, повышение надежности прибора.
D
crit
Физические процессы в слоях 1-4 в режиме переключения по аноду вследствие перенапряжения или воздействия напряжения, нарастающего со скоростью превышающей (dU/dt), при наличии элементов самозащиты полностью соответствуют процессам, описанным выше. Единственное отличие заключается в том, что обратный ток коллекторного p-n-перехода между слоями 2 и 3 обусловлен не фотоносителями, а лавинным или емкостным током участка ОПЗ, в окрестности элемента самозащиты. В рассмотренных вариантах конструкций фототиристоров элементом самозащиты от пробоя является центральная часть полупроводниковой структуры, ограниченная слоем металлизации 5.
Были изготовлены две партии фототиристоров (одна - по прототипу, другая - по предлагаемой конструкции прибора) на кремнии диаметром 56 мм с удельным сопротивлением 350 Ом·см, на напряжение переключения свыше 6,5 кВ. Измерения показали, что для приборов предложенной конструкции мощность оптического управления в 1,5-2 раза меньше, чем для приборов по прототипу при прочих равных условиях.
Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных классов приборов с оптическим управлением малой, средней и
большой мощности, в том числе в комбинации с многоступенчатыми регенеративными управляющими электродами, в приборах со встроенными элементами самозащиты от пробоя.
Такие фототиристоры применяются в современных мощных преобразовательных устройствах повышенной надежности, высоковольтном электроприводе, мощных импульсных генераторах, компенсаторах реактивной мощности, преобразовательных устройствах линий электропередач, вставках постоянного тока и др.