ДИНИСТОР С НАНОСЕКУНДНЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ

Полезная модель относится к области силовой импульсной техники и может быть использована в качестве элементной базы для создания генераторов мощных импульсов с нано- и микросекундной длительностью.
+
+
+
+
Известен кремниевый динистор с наносекундным быстродействием (см. заявка CN 105529370, МПК H01L 21/329, H01L 29/06, H01L 29/87, опубликована 27.04.2016), включающий базовую четырехслойную р-n-р-n структуру и структуру типа MOS (металл-окисел-полупроводник). При включении MOS-структуры она инициирует быстрый ввод запускающего заряда в базовую р-n-р-n структуру, что приводит к ее переключению за время несколько сотен наносекунд. В результате обеспечивается возможность коммутации мощных быстро нарастающих импульсов тока.
Известный динистор имеет недостаточно малые коммутационные потери энергии, обусловленные тем, что время его включения недостаточно мало для эффективной коммутации импульсов тока наносекундным фронтом нарастания, а также тем, что после включения обеспечивается недостаточно малое падение напряжения вследствие недостаточно большого запускающего заряда, ограниченного коммутационными характеристиками MOS-структуры.
+
+
+
+
+
+
+
Известен реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (см. патент RU 171465, МПК H01L 29/74, опубликован 01.06.2017), включающий четырехслойную р-n-р-n-структуру с анодным р- и катодным n-эмиттерами, закороченные шунтами. В четырехслойную структуру встроены n-n-р-р диоды цилиндрической формы, включенные встречно-параллельно четырехслойной структуре, а р-эмиттер четырехслойной структуры закорочен анодными шунтами, расположенными вокруг катодных эмиттеров встроенных диодов.
В известном динисторе достигается меньшее падение напряжения после переключения, однако динистор имеет недостаточно малые коммутационные потери энергии, обусловленные недостаточно малым временем включения, которое не обеспечивает эффективную коммутацию импульсов тока с наносекундным фронтом нарастания.
+
+
+
+
0
Известен динистор с наносекундным быстродействием (см. патент RU 164476, МПК H01L 29/87, опубликован 10.09.2016), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Динистор-прототип включает полупроводниковую четырехслойную р-n-р-n-структуру, в которой уровень легирования слоя р существенно выше, чем слоя n, анод и катод, при этом слой р имеет выход на катод, а р-n-р-n-структура имеет краевой контур в виде кольцевой двухступенчатой фаски, на которую нанесен защитный компаунд. Объем слаболегированного N-слоя полупроводниковой структуры, расположенный под краевым контуром, выполненным в виде кольцевой фаски, имеет время жизни неосновных носителей заряда, сниженное до величины ≤0,1 мкс.
В известном динисторе-прототипе устраняется возможность катастрофического возрастания тока утечки после коммутации импульсов силового тока за счет исключения образования приповерхностного проводящего канала. Однако динистор-прототип имеет значительные коммутационные потери энергии, обусловленные уменьшением токопроводящей площади его структуры при облучении и недостаточно малой толщиной низколегированной n базы.
Задачей настоящего технического решения является разработка динистора с наносекундным быстродействием, в котором будут уменьшены коммутационные потери энергии.
+
+
+
+
+
Поставленная задача решается тем, что динистор с наносекундным быстродействием включает полупроводниковую четырехслойную р-n-р-n-структуру, анод и катод, при этом р-n-р-n-структура имеет краевой контур в виде кольцевой двухступенчатой фаски. Новым в динисторе является то, что в слое р выполнены выходящие на анод участки n типа в виде цилиндров диаметром (200-300) мкм, расположенных на расстоянии (2-3) мм друг от друга, а кольцевая двухступенчатая фаска снята с наклоном от анода к катоду.
На двухступенчатую фаску может быть нанесен слой защитного компаунда. Обычно используют кремнийорганические компаунды типа КЛТ, СИЭЛ, ЛОСК.
+
В динисторе по краю слоя n может быть создан выход слоя р на катод в виде узкого кольца.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан в разрезе динистор-прототип;
на фиг. 2 изображен в разрезе настоящий динистор.
+
+
+
+
+
+
+
+
На фиг. 1 фиг. 2 показаны: 1 - р слой, 2 - n слой, 3 - р слой, 4 - n слой, образующие полупроводниковую, например кремниевую, четырехслойную структуру, которая позволяет блокировать силовое напряжение до момента переключения и поддерживать проводящее состояние после переключения; 5 - анод и 6 - катод для подключения силовой цепи; 7 - участки n типа в виде цилиндров диаметром (200-300) мкм, расположенных на расстоянии (2-3) мм друг от друга; 8 - выход р слоя на поверхность катода 6, повышающий термостабильность; 9 - двухступенчатая фаска, форма которой позволяет предельно уменьшить ширину расположенных под ней краевых областей динистора, но при этом краевое поле распределяется неравномерно и имеет максимум на пологой ступени фаски 9; 10 - защитный компаунд, например КЛТ-30, для герметизации фаски 9. Введенные в р слой 1 участки 7 n типа определяют высокую обратную проводимость настоящего динистора, что позволяет предельно уменьшить толщину слаболегированного n слоя 2 и снизить коммутационные потери энергии при протекании силового тока, по сравнению с устройством-прототипом, не обладающим обратной проводимостью. Равномерное распределение по площади р слоя 1 участков 7 n типа, выполненных в виде цилиндров с диаметром (200-300) мкм, расположенных на расстоянии (2-3) мм друг от друга улучшает однородность процесса инжекции носителей заряда из р слоя 1, что повышает однородность переключения и снижает коммутационные потери энергии. Снятие двухступенчатой фаски 9 с наклоном от анода 5 к катоду 6 позволяет расположить под ее пологой ступенью с сильным полем сильнолегированный р слой 3. В процессе запуска динистора импульсом перенапряжения достаточно большая концентрация собственных носителей в р слое 3 препятствует образованию вблизи фаски 9 токопроводящего инверсного канала. При этом, в отличие от устройства-прототипа, в котором фаска 9 снята с наклоном от катода 6 к аноду 5, и под ее пологой ступенью располагается слаболегированный n слой 1, в настоящем динисторе ток утечки не возрастает, что исключает необходимость использования процесса облучения электронами, который уменьшает токопроводящую площадь и увеличивает коммутационные потери энергии.
+
+
2
+
+
+
+
+
+
Настоящий динистор работает следующим образом. В исходном состоянии к нему приложено напряжение в указанной на фиг. 2 полярности. При этом в n слое 2 и в р слое 3 создается свободная от носителей тока область пространственного заряда (ОПЗ), выходящая на поверхность двухступенчатой фаски 9. Для исключения возможности стационарного пробоя электрофизические и геометрические параметры слоев 2, 3 и фаски 9 задают таким образом, что при приложении рабочего напряжения границы ОПЗ располагаются на достаточно большом расстоянии от р слоя 1 и n слоя 4. Переключения настоящего динистора осуществляют импульсом высокого напряжения, нарастающим с очень большой скоростью (более кВ в наносекунду). Такую скорость обеспечивают пропусканием через динистор мощного тока управления с плотностью более 100 А/см, осуществляющего быструю зарядку емкости его структуры. Ток управления инициирует инжекцию носителей заряда из р слоя 1 и n слоя 4. В результате вблизи р слоя 1 и n слоя 4 накапливаются дырки и электроны. После переключения динистора они обеспечивают модуляцию проводимости n слоя 2 и р слоя 3. Благодаря наличию распределенных по площади р слоя 1 шунтирующих участков 7 n типа модуляция проводимости широкого низколегированного n слоя 2 осуществляется равномерно по площади. При этом силовой ток распределяется так же равномерно, что уменьшает коммутационные потери энергии. Спустя очень малое время (1-2 нс) после приложения запускающего напряжения напряженность поля в ОПЗ становится выше предельно допустимого в стационарных условиях, но продолжает нарастать, так как за это время объемный и поверхностный пробой развиться не успевают. В момент, когда напряжение на динисторе достигает пороговой величины, которая примерно вдвое больше напряжения стационарного пробоя, начинается процесс ударной ионизации атомов кремния. Ударная ионизация обеспечивает очень быстрое заполнение ОПЗ электронно-дырочной плазмой. В результате настоящий динистор переключается в проводящее состояние за время менее 1 нс. Так как в настоящем динисторе исключена возможность блокирования обратного напряжения, то n слой 2 выполнен с малой толщиной, требуемой для блокирования рабочего напряжения только в прямом направлении. При этом сопротивление n слоя 2 мало, что обеспечивает малые коммутационные потери энергии в настоящем динисторе. При приложении к настоящему динистору быстро нарастающего импульса высокого напряжения напряженность поля на поверхности фаски 9 увеличивается. При этом расположенный над ней защитный компаунд 10 поляризуется, и на границе фаски 9 и компаунда 10 образуются акцепторные ловушки. В процессе коммутации они заполняются носителями тока, что при определенных условиях может привести к образованию в прилегающих к фаске 9 полупроводниковых слоях канала с инверсным типом проводимости, обусловливающего увеличение тока утечки. Так как в настоящем динисторе фаска 9 снята от анода 5 к катоду 6, то под ее пологой ступенью с сильным полем располагается р слой 3 с достаточно высоким уровнем легирования. Большая концентрация собственных носителей в этом слое не позволяет образоваться инверсному каналу вблизи поверхности фаски 9. В результате при работе на частоте возрастания тока утечки не происходит. При этом, в отличие от динистораа-прототипа, при изготовлении настоящего динистора не используют процесс облучения электронами, определяющий уменьшение токопроводящей площади и увеличение коммутационных потерь энергии.
2
+
+
+
+
+
-2
Пример. Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены опытные образцы динистора-прототипа и настоящего динистора. Они имели одинаковую рабочую площадь (~3 см) и предельное напряжение, блокируемое в прямом направлении (~3,5 кВ). В отличие от настоящего динистора, динистор прототип был способен блокировать это напряжение и в обратном направлении, что обусловило большую толщину n слоя 2. Структуры исследуемых динисторов были выполнены из пластин кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением ~200 Ом⋅см, р-слой 3 был получен совместной диффузией алюминия и бора на глубину 120 мкм, р слой 1 и n слой 4 были созданы диффузией бора и фосфора, соответственно, на глубину 22 мкм и 24 мкм. Кольцевой выход р слоя 8 был получен с использованием фотолитографии на стороне р слоя 3 и имел ширину ~2 мм. Толщина структуры динистора прототипа составляла ~750 мкм, а настоящего динистора ~600 мкм, при этом толщина n слоя 2 в настоящем динисторе была на 150 мкм меньше, чем в динисторе-прототипе. Формирование в настоящем динисторе цилиндрических участков 7 n типа выполняли с использованием фотолитографии на стороне n слоя 2 и проводили одновременно с формированием n слоя 4. При этом технологический цикл практически не изменялся. Диаметр участков 7 n типа составлял 0,25 мм, расстояное между ними 2,5 мм. С боковых поверхностей настоящего динистора и динистора-прототипа была снята двухступенчатая фаска 9. В динисторе-прототипе маска 9 была снята с наклоном от катода 6 к аноду 5, в настоящем динисторе - от анода 5 к катоду 6. В динисторе-прототипе и в настоящем динисторе крутая и пологая ступени фаски 9 снимали под углом 30° и 2,5°, соответственно, и были покрыты слоем защитного компаунда 10 в виде КЛТ-30. Для стабилизации тока утечки динистора-прототипа расположенная под фаской 9 краевая область его структуры была облучена электронами с энергией ~500 кэВ при дозе облучения ~1017 см. Эксперименты проводились на специальном стенде. Переключение настоящего динистора и динистора-прототипа осуществляли с помощью системы управления на основе индуктивного накопителя энергии и прерывателя тока в виде блока дрейфовых диодов с резким восстановлением, который обрывал ток индуктивного накопителя (~300 А) за время ~2 нс и коммутировал его в исследуемый динистор. При этом напряжение на динисторе резко нарастало, он включался и коммутировал ток с амплитудой ~1,5 кА и длительностью ~100 нс, формируемый силовой цепью на основе емкостного накопителя энергии. Эксперименты проводили на частоте 100 Гц. Измеряли падение напряжения на настоящем динисторе и динисторе-прототипе и ток утечки, протекающий через них после окончания частотного цикла. Эксперименты показали, что после частотных испытаний протекающий через настоящий динистор и динистор-прототип ток утечки практически не изменялся, но падение напряжения на настоящем динисторе было примерно на 15% меньше, по сравнением с динистором прототипом. Полученный результат свидетельствует о том, что в настоящем динисторе при прочих равных условиях достигается существенное уменьшение коммутационных потерь энергии, по сравнению с динистором-прототипом. Так как переключение настоящего динистора осуществляли в результате ударной ионизации атомов кремния, то его можно назвать динистором с ударной ионизацией (ДУИ или SID: shock-ionized dynistor).