ТИРИСТОР С САМОЗАЩИТОЙ ОТ ПРОБОЯ

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно конструкции полупроводниковых приборов на основе полупроводниковых структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, динисторов, симисторов и т.д.), имеющих самозащиту от пробоя при переключении вследствие перенапряжения.
Известна конструкция тиристора с оптическим управлением (фототиристора) с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [1] (патент US (A) №5455434) на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей основную тиристорную структуру (ОТС), состоящую из четырех чередующихся слоев p- и п-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную центрально-симметричными вспомогательными тиристорными структурами (ВТС) и локальную область искривления коллекторного p-n-перехода с пониженным напряжением лавинообразования в центре ПС.
1
1
2
В [1] механизм защитного включения тиристора при перенапряжении обусловлен током лавинного пробоя в области искривления коллекторного p-n-перехода, генерируемым при перенапряжении и являющимся током управления самой близкой к этой области BTC (BTC). Анодный ток BTC, в свою очередь, является током управления BTC и т.д., пока не включится ОТС (регенеративный процесс включения тиристора).
di
di
1
di
di
1
2
Недостатком конструкции является то, что при сверхвысоких скоростях нарастания прямого напряжения, т.е. при воздействии на ПС напряжения, нарастающего до уровня переключения за короткое время, сравнимое с собственным временем задержки включения тиристора (0,4-0,8 мкс), интегрированная в ПС самозащита не функционирует. Собственное время задержки включения (t) является характерным временем диффузии через p- и -n-базовые области инжектированных из p- и -n-эмиттеров неосновных носителей заряда. При t≤t BTC еще не переключается, поскольку инжектированные дырки и электроны еще не достигли коллекторного p-n-перехода, что является необходимым условием начала регенеративного процесса включения p-n-p-n-структуры. Инерционность процесса (длительность t) определяется временем диффузии дырок через широкую n-базу. Верхняя граница указанного выше диапазона t относится к высоковольтным тиристорам на повторяющееся напряжение 6-8 кВ, т.е. рассматриваемые нами сверхвысокие скорости нарастания напряжения составляют порядка 10 кВ/мкс. Вследствие отсутствия эффекта переключения BTC работает на этом этапе в режиме ограничения напряжения с довольно большим дифференциальным сопротивлением в области лавинообразования. При ограниченном размере микроплазменного канала, определяемого областью искривления коллекторного p-п-перехода (менее 1 мм), дифференциальное сопротивление может достигать нескольких десятков кОм.
Следствием этого является:
- ограничение условий реализации защитной функции интегрированной самозащиты;
- риск пробоя прибора с необратимой деградацией прямой блокирующей характеристики, а при большой мощности генератора перенапряжения - также и обратной.
Все это отрицательно сказывается на надежности тиристора.
Известна также конструкция тиристора с оптическим управлением с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [2] (патент DE №10150640(A1)) на основе ПС, состоящей из четырех чередующихся слоев р- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, содержащей ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную центрально-симметричными ВТС, локальную область искривления коллекторного p-n-перехода с пониженным напряжением лавинообразования в центре ПС и локальную область в n-базе в центре ПС с пониженным удельным сопротивлением, прилегающую к коллекторному переходу.
Отличие от [1] здесь состоит в дополнительном элементе снижения напряжения лавинообразования в той же области ПС, что и по варианту [1].
Недостаток конструкции заключается в том, что суперпозиция двух элементов самозащиты с геометрическими параметрами одного порядка величины не вносит принципиальных изменений в динамику процесса переключения ПС при перенапряжении. Поэтому так же, как и в конструкции по варианту [1], при сверхвысоких значениях dU/dt в центре ПС возможен электрический пробой, переходящий в тепловой. Следствия этого те же.
Техническим результатом предлагаемого решения является создание тиристора с встроенной защитой (самозащитой) от перенапряжения в большом диапазоне скоростей нарастания напряжения - от квазистатического режима до сверхвысоких скоростей порядка 10 кВ/мкс и, соответственно, повышение надежности тиристора
n'
n''
n
n'
n''
n''
n'
n
n''
n'
Технический результат достигается тем, что в многослойной полупроводниковой структуре тиристора, содержащей четыре чередующихся слоя p- и n-типа электропроводности, эмиттерный анодный, коллекторный центральный и эмиттерный катодный p-п-переходы, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру и внутри нее центрально-симметричные вспомогательные тиристорные структуры в количестве не меньше двух, имеющей локальную область с пониженным удельным сопротивлением n'' в центре полупроводниковой структуры в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода, в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в n-базе вблизи коллекторного p-п-перехода сформирована одна или несколько локальных областей с пониженным удельным сопротивлением n', причем удельное сопротивление в этой области (областях) ρ больше, чем в локальной области в центре ρ, и меньше, чем в основной тиристорной структуре ρ, а площадь этой области (областей) S больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры S, то есть ρ<ρ<ρ, а S<S.
Вследствие этого напряжение лавинного пробоя центрального p-n перехода вблизи вспомогательной тиристорной структуры с указанной областью больше, а дифференциальное сопротивление участка лавинообразования меньше значений аналогичных параметров в центре полупроводниковой структуры.
К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:
- наличие в окрестности второй от центра или одной из последующих вспомогательных тиристорных структур в n-базе вблизи коллекторного p-n-перехода одной или нескольких локальных областей с пониженным удельным сопротивлением, причем удельное сопротивление в этой области (областях) больше, чем в локальной области в центре, и меньше, чем в основной тиристорной структуре, а площадь этой области (областей) больше площади локальной области в центре полупроводниковой структуры.
- б`ольшая величина удельного сопротивления и площади указанной локальной области (областей) по отношению к аналогичному параметру в центре полупроводниковой структуры.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Положительный эффект достигается за счет:
1. Снижения дифференциального сопротивления ПС в области лавинообразования.
2. Ограничения роста напряжения на ПС до опасного уровня переключения ОТС.
qi
2
3. Затягивания во времени процесса роста напряжения на ПС до времени t, когда начинается процесс переключения BTC.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах.
На фиг.1a показано схематическое изображение ПС тиристора (вариант с двумя BTC). Обозначения:
б1
б2
б3
1
2
R, R, R - сопротивления p-базовых областей BTC, BTC и ОТС;
к1
к2
к3
R, R, R - сопротивления локальных каналов проводимости в режиме лавинообразования.
УЭ - управляющий электрод.
На фиг.1б приведена эквивалентная схема ПС с сосредоточенными дискретными параметрами для случая переключения по аноду в квазистатическом режиме.
1
На фиг.1в представлена эквивалентная схема ПС для случая переключения по аноду при сверхвысокой скорости нарастания напряжения, в которой BTC замещена ограничителем напряжения (ОН).
1
2
На фиг.2 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) BTC (а), BTC (б), ОТС (в) и результирующая ВАХ ПС тиристора (г) с интегрированными элементами самозащиты от пробоя. Обозначения:
A1
A2
A3
1
2
U, U, U напряжения лавинообразования BTC, BTC и ОТС;
ВО1
ВО2
ВО3
1
2
-
U, U, U напряжения переключения BTC, BTC и ОТС;
ВО1
ВО2,
ВО3
1
2
I. I U - токи переключения BTC, BTC и ОТС.
1
2
1, 2, 3, 1', 2', 3' - точки на ВАХ, в которых происходит переключение по аноду BTC, BTC, ОТС и ПС.
На фиг.3 приведены временные диаграммы напряжения на ПС и тока через ПС в различных режимах коммутации. Обозначены:
D1
U - прямое напряжение на ПС для случая сверхвысокой скорости нарастания напряжения;
D2
U - прямое напряжение на ПС для случая низкой и средней скорости нарастания напряжения;
D1
I - прямой ток через ПС для случая сверхвысокой скорости нарастания напряжения;
D2
I - прямой ток через ПС для случая низкой и средней скорости нарастания напряжения;
C1
C2
D1
D2
I, I - емкостные составляющие токов I и I.
2
На фиг.4 представлена конструкция ПС тиристора по предлагаемому решению, где n' - локальная область в n-базе с пониженным удельным сопротивлением в окрестности BTC, n'' - аналогичная область в центре ПС.
Выбор структуры эквивалентных схем (фиг.1б, в) обусловлен особенностями режимов коммутации.
1
di
1
Замещение BTC (фиг.1б) на ОН (фиг.1в) связано с тем, что при t<t BTC теряет свойства переключателя (динистора) и становится ограничителем напряжения.
к1
к2
к3
Наличием R, R, R в эквивалентной схеме на фиг.1в подчеркивается их роль в процессе коммутации в режиме сверхвысокого нарастания напряжения.
1
В целях упрощения анализа процессов коммутации на фиг.1в не показаны эквивалентные емкости ОН, BTC и ОТС.
1
2
C1
C2
D1
D2
С аналогичной целью на фиг.2 не показаны емкостные составляющие токов BTC, BTC, ОТС и ПС. Емкостные составляющие I, I токов I и I ПС в двух режимах коммутации показаны на фиг.3.
D2
ВО1
1
«Медленный» рост напряжения на ПС (кривая U на фиг.3) завершается переключением в точке 1' при напряжении переключения U BTC (фиг.2а, г) (первая степень самозащиты).
D1
ВО2
2
«Быстрый» рост напряжения на ПС (кривая U, на фиг.3) завершается переключением в точке 2' при напряжении переключения U BTC (фиг.2б, г) (вторая степень самозащиты).
2
D1
ВО3
При отсутствии BTC траектория роста U идет по пунктирной линии (фиг.3 и фиг.2г) до точки 3' на уровне U, после чего происходит электрический пробой ПС в произвольном месте с минимальной электрической прочностью с последующим тепловым пробоем.
2
1
2
Работоспособность предлагаемой конструкции тиристора была проверена на ПС с разветвленным эмиттером BTC. Области BTC и BTC были подвергнуты облучению высокоэнергетическими протонами для создания областей с пониженным удельным сопротивлением и пониженным напряжением лавинообразования. Высоковольтные ПС на 3-4 кВ переключались в динисторном режиме при скоростях нарастания напряжения свыше 10 кВ/мкс без деградации ВАХ.
Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности, применяемых в современных мощных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, мощных импульсных генераторах и др.