МОЩНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТИРИСТОР С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов, конкретно - к высоковольтным быстродействующим тиристорам, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Более 60% вырабатываемой электроэнергии в настоящее время проходит через полупроводниковые преобразователи. Полупроводниковые приборы, используемые в качестве ключевых элементов схем преобразовательных устройств, в общем случае, должны обладать следующими свойствами:
- блокировать заданное (как правило, высокое) напряжение в прямом и обратном направлении с пренебрежимо малыми токами утечки в выключенном состоянии;
- пропускать большие токи с минимальными коммутационными и статическими потерями;
- переключаться с максимально высокими скоростями.
Такую идеальную, сочетающую в себе одновременно все вышеперечисленные признаки, конструкцию создать практически невозможно, речь может идти о выборе определенных соотношений между перечисленными параметрами.
Все мощные приборы условно можно разделить на два класса: включаемые и выключаемые непосредственно по силовой цепи (диоды, динисторы) и включаемые и выключаемые подачей управляющего сигнала (транзисторы, тиристоры).
+
+
+
Известен тиристор ["Gate-turn-off-thyristor with high blocking voltage and small device thickness" патент ЕР 0700095 от 03.06.1996 г., авторы F.Bauer, S.Eicher], содержащий np-эмиттер, управляющую р-базу, n-базу, и np-эмиттер, выключение которого осуществляется подачей отрицательного смещения на управляющую р-базу - запираемый тиристор (ЗТ, GTO - Gate Turn-off Thyristor). Катодный np-эмиттер такого прибора выполнен в виде нескольких тысяч полос на кремниевой пластине диаметром до 140 мм, полуширина полос примерно равна ширине области первоначального включения. При такой геометрии выключающий импульс управляющего тока воздействует на всю включенную область эмиттерной полоски, прерывая инжекцию электронов и приводя тем самым к выключению прибора.
Устройство позволяет коммутировать мощности в единицы и десятки мегаватт в интервале частот до десятков герц.
Его недостатками являются малое быстродействие по включению и выключению; необходимость обеспечения строгой синхронности выключения всех эмиттерных полос, поскольку рассогласование приводит к локализации тока и разрушению прибора; трудность параллельного и, особенно, последовательного соединения; большая мощность, затрачиваемая в цепи управления на выключение.
+
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
+
-
+
+
+
-
+
Известен биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor) ["Insulated gate bipolar transistor", заявка US 2005045945 от 03.03 2005 г., авторы Y.Koh; U.Kansunori; K.Hiroshi, используемый в диапазоне мощностей ниже единиц мегаватт и частот от десятков герц до десятков килогерц (где потребляется основное количество электроэнергии). Кремниевый чип IGBT содержит от десятков до сотен тысяч параллельно работающих элементарных ячеек с характерным размером 10-15 мкм, каждая из которых представляет собой высоковольтный биполярный pnnp-транзистор, в цепь управления которого встроен полевой прп-транзистор. При подаче положительного смещения на поликремниевый затвор полевого npn-транзистора формирующийся в р-слое инверсный n-канал замыкает n-исток с n-слоем. Электронный ток, протекающий в этой цепи, вызывает инжекцию дырок из нижнего р-слоя, которые через nn-слой проходят к верхнему р-слою биполярного транзистора. По сути, электронный ток является током управления pnnp-биполярного транзистора; при достаточно большом токе этот транзистор входит в режим насыщения, и через него протекает весь силовой ток. Для выключения к затвору прикладывается отрицательное смещение, что приводит к быстрому исчезновению инверсного канала и обрыву базового тока биполярного транзистора, который выходит из насыщения и выключается. Принципиальными достоинствами IGBT являются малая потребляемая мощность в цепи управления для включения и выключения, а также высокое быстродействие.
Недостатками - высокое (почти вдвое по сравнению с обычным тиристором) остаточное напряжение во включенном состоянии, сложность сборки чипов в корпус, а также высокая сложность технологии изготовления самих чипов.
Конструкции GTO и IGBT являются аналогами предлагаемого в качестве полезной модели технического решения.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Известен также мощный интегральный тиристор с полевым управлением (V.A.K. Temple MOS-Controlled Thyristor-MCT) ["MOS-Controlled Thyristors - A New Class of Power Devices", IEEE Transactions on Electron Devices, vol.ED-33, No.10, pp.1609-1618, 1986], представляющий собой быстродействующий силовой прибор, кремниевый чип которого состоит из нескольких сотен тысяч параллельно работающих ячеек с характерным размером не более 30 мкм, каждая из которых представляет собой npnp-микротиристор со встроенным в р-базу параллельно nр-эмиттеру р-канальным полевым транзистором, используемым для выключения. Прибор включается подачей положительного смещения на р-базовую область. Для его выключения (тиристор, как обычно, может быть представлен состоящим из npn-и рnр-составных транзисторов) на затвор полевого транзистора подается отрицательный потенциал, под действием которого формируется р-канал, замыкающий накоротко nр-эмиттер и р-базу составного nрn-транзистора, что приводит к резкому уменьшению его коэффициента усиления. Суммарный коэффициент усиления составных nрn- и pnp-транзисторов становится меньше единицы, и тиристорная ячейка переходит в выключенное состояние. Предельный выключаемый ток в ячейке тем больше, чем меньше сопротивление цепи, шунтирующей nр-эмиттер. Это означает, в частности, что характерный размер ячейки должен быть малым (как правило, не более 30 мкм). При этом для получения максимального быстродействия по включению и выключению р-база тиристора выполняется достаточно тонкой (<10 мкм), а толщина и уровень легирования широкой n-базы примерно такие же, как у обычного тиристора, и соответствуют уровню напряжений, блокируемых коллекторным переходом (2÷5 кВ). Достоинством МСТ является способность коммутировать большие мощности при высоком быстродействии по включению и выключению, при этом остаточное падение напряжения во включенном состоянии в МСТ существенно ниже, чем в IGBT.
Принципиальным недостатком является сложность конструкции элементарной ячейки и технологии изготовления прибора в целом. Для изготовления ячейки МСТ необходимо 12 последовательных фотолитографических операций, в то время как для стандартных IGBT - восемь. Несмотря на большой объем исследований, проведенных многими фирмами, ни один из вариантов МСТ не был доведен до серийного производства. Конструкция МСТ выбрана в качестве прототипа предлагаемой полезной модели.
Решаемой задачей является упрощение конструкции мощного интегрального тиристора с полевым управлением и уменьшение статических потерь мощности за счет уменьшения падения напряжения на тиристоре во включенном состоянии, при сохранении высокого быстродействия по включению и выключению.
+
+
+
+
+
+
Задача решается мощным интегральным тиристором с полевым управлением, содержащим по-меньшей мере один кремниевый чип, состоящий из множества параллельно электрически соединенных микротиристорных npnр ячеек, включающих nр-эмиттер, р-базу, n-базу, и nр-эмиттер, металлические контакты к np-эмиттеру и р-базе, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам, и один мощный полевой транзистор с поликремниевым затвором, включенный между общими выводами np-эмиттеров и р-баз ячеек.
В предлагаемом устройстве для шунтирования эмиттерных переходов всех микротиристоров, выполненных на одном чипе, в отличие от прототипа используется только один внешний, включенный между эмиттером и базой, мощный полевой транзистор, который может быть выбран и низковольтным, поскольку даже при форсированном включении напряжение в цепи эмиттер-база интегрального тиристора не превышает 20 В и, следовательно, достаточно, чтобы напряжение пробоя полевого транзистора было не ниже. Такие транзисторы выпускаются серийно и широко используются. Предлагаемое шунтирование обеспечивает выключение устройства с быстродействием не хуже, чем у прототипа. В прототипе в каждую ячейку необходимо было встроить полевой транзистор, что существенно усложняло технологию и повышало стоимость прибора. Разделение «биполярной» (тиристорной) и «полевой» (транзисторной) технологий в предлагаемом решении позволяет существенно упростить конструкцию и технологию изготовления элементарной ячейки силового чипа при одновременном увеличении ее рабочей площади (за счет того, что из каждой ячейки убирается полевой транзистор), что влечет за собой уменьшение падения напряжения на тиристоре во включенном состоянии, а значит, уменьшение потерь мощности.
На Фиг. изображена конструкция тиристорного чипа мощного интегрального тиристора с внешним полевым управлением, где:
+
+
1 - nn рр-микротиристорная ячейка;
+
2 - np-эмиттер;
3 - р-база;
4 - n-база;
+
5 - np-эмиттер;
6 - металлизация эмиттеров;
7 - базовая металлизация;
8 - внешний низковольтный полевой транзистор.
+
+
На Фиг. схематически показаны соединенные параллельно металлическими шинами nnpp-микротиристорные ячейки с базовой разводкой и подключенный внешний низковольтный полевой транзистор.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
+
+
+
+
Включение всех микротиристорных ячеек 1 осуществляется пропусканием управляющего сигнала в цепи nр-эмиттер 2 - р-база 3, а выключение - замыканием этой цепи накоротко с помощью внешнего полевого транзистора 8. В проводящем состоянии все pn - переходы смещены в прямом направлении, и в базовых слоях 3 и 4 накоплен заряд неравновесных носителей. Шунтирование катодного эмиттерного np-перехода 2 каналом внешнего полевого транзистора 8 на первом этапе выключения (этапе задержки) приводит к уменьшению накопленного заряда, при этом анодный ток практически не меняется. Этап задержки завершается восстановлением центрального коллекторного перехода (перехода между р-базой 3 и n-базой 4), после чего на втором этапе ("фронт") происходит быстрый спад анодного тока. Рост напряжения на тиристоре сопровождается выносом заряда из области прибора вблизи центрального перехода и формированием области пространственного заряда (ОПЗ). На третьем этапе (медленный спад тока - "хвост") характер переходного процесса определяется рекомбинацией избыточных носителей заряда в n-базе 4. При выключении тиристора с помощью шунтирования np-эмиттера 2 внешним полевым транзистором 8 имеет значение величина суммарного сопротивления шунтирующей цепи, состоящего из сопротивления растекания р-слоя под n-эмиттером 2, сопротивления канала транзистора 8 и сопротивления металлизации базовых 7 и эмиттерных 6 токоподводящих шин: чем меньше сопротивление шунтирующей цепи, тем больший ток может быть выключен.
Пример.
+
+
+
+
+
Был изготовлен тиристорный чип мощного интегрального тиристора с внешним полевым управлением, содержащий 9720 npnp-микротиристорных ячеек, включающих nр-эмиттер 2, р-базу 3, n-базу 4, и np-эмиттер 5, металлические контакты 6 к nр-эмиттеру 2 и 7 - к р-базе 3, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам, и один мощный низковольтный полевой
+
2
2
+
+
+
2
2
v
ocт
ocт
ост
транзистор 8 с поликремниевым затвором марки IRLIZ44G, являющийся общим для всех ячеек и включенный между общими выводами nр-эмиттеров 2 и р-баз 3 ячеек 1. Активная площадь прибора ~(7×7) мм окружена 8-ю охранными кольцами. Размер каждой ячейки(12×115) мкм. Система металлизации 6 и 7 Al-Mo-Al имеет толщину ~6 мкм. Глубина np-эмиттера 2 - 1,51 мкм, толщина р-базы 3 - 1,46 мкм, толщина n-базы 4 - 160 мкм, глубина nр-эмиттера 2 - 8 мкм. Удельное объемное сопротивление кремния ρ≈100 Ом·см. При величине напряжения переключения ~2 кВ и выключении замыканием np-эмиттера 2 на р-базу 3 с помощью внешнего низковольтного полевого транзистора 8 (50 А, 60 В) с сопротивлением канала ~0,028 Ом такой тиристорный чип коммутировал ток ~26 А, что соответствует плотности тока ~250 А/см при длительностях включения и выключения ~1 мкс и остаточном падении напряжения во включенном состоянии U~1,4 B. Для сравнения, при коммутации тока примерно такой же плотности (~250 А/см) тиристорным чипом прототипа с такой же толщиной n-базы ~160 мкм остаточное падение напряжения U~1,75 В, а при коммутации тока такой же плотности чипом IGBT (аналог) U~4 В.
Следует отметить также, что по сравнению с устройством-аналогом GTO время выключения и коммутационные потери в предлагаемом приборе значительно меньше, также существенно (на несколько порядков) меньше мощность, затрачиваемая на выключение, и существенно (на порядок) больше быстродействие по включению и по выключению, а по сравнению с аналогом IGBT - меньше остаточное напряжение во включенном состоянии и, соответственно, большая (~вдвое) рабочая плотность тока. Предлагаемая конструкция не только проще, но и дешевле прототипа.