ФОТОТИРИСТОР С САМОЗАЩИТОЙ ОТ ПРОБОЯ В ПЕРИОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗАПИРАЮЩИХ СВОЙСТВ

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности (тиристоров, фототиристоров, оптронных тиристоров, симисторов, динисторов и др.) с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств.
p
+
+
Известна конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [1] на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие основную тиристорную структуру (ОТС), фоточувствительную область в центре ПС, окруженную четырьмя концентрическими вспомогательными тиристорными структурами (ВТС). Время жизни неосновных носителей заряда (τ) в n - базе ОТС меньше, чем в n - базе ВТС. В p-эмиттере под ВТС созданы островки n-эмиттера посредством имплантации фосфора.
+
Механизм защитного включения фототиристора в период восстановления запирающих свойств обусловлен инжекцией и усилением тока электронов из островков n-эмиттера в фазе протекания обратного тока через ПС с последующим процессом последовательного включения ВТС и ОТС при подаче прямого напряжения.
Недостатком конструкции является наличие в ПС встроенного симметричного переключателя типа n-p-n-p-n.
Следствием этого является:
- ограничение условий реализации защитной функции, связанное с необходимостью создания режима протекания обратного тока до подачи прямого повторного напряжения;
- риск переключения прибора в обратном направлении с последующим пробоем.
Все это отрицательно сказывается на надежности фототиристора.
p
p
p
Известна также конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя в период восстановления запирающих свойств [2] на основе ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодной и катодной металлизацией, образующие ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, три последовательно соединенные ВТС для включения ОТС оптическим сигналом управления, импульсом перенапряжения и импульсом быстро нарастающего напряжения (эффект dU/dt) и две последовательно соединенные ВТС для защитного включения ОТС в период восстановления запирающих свойств. Вторая группа ВТС конструктивно выполнена следующим образом. Первая ВТС является небольшой селективной зоной включения (СЗВ) с τ, большим, чем в ОТС, расположенной от нее на расстоянии порядка четырех длин диффузионного смещения (L). Вторая ВТС примыкает к СЗВ и расположена на расстоянии менее одной L от ОТС.
+
p
Принцип действия данного варианта самозащиты в период восстановления запирающих свойств прибора основан на использовании явления диффузионного растекания подвижных носителей заряда из канала проводимости в p-базе, определяемого границей n-эмиттера, в смежную область базы. В открытом состоянии фототиристора определенная доля неравновесных носителей заряда диффундирует из ОТС в СЗВ. В процессе коммутации (при уменьшении тока) концентрация избыточных носителей заряда медленнее убывает в области с большим τ, т.е. в СЗВ. В таком состоянии при подаче на прибор прямого напряжения ток, обусловленный сохранившимся в СЗВ зарядом, включает СЗВ, которая включает ВТС. В свою очередь, ВТС включает ОТС, тем самым защищая фототиристор от пробоя в неконтролируемой области.
Недостатками этой конструкции являются:
- сложность топологии области управления с параллельными группами ВТС;
- сложность контроля процессов переноса носителей тока в конструкции, содержащей элементы с объемной зарядовой связью;
- сложность оптимизации конструкции и ее технической реализации.
Следствием этого является:
H
- снижение эффективности самозащиты от пробоя в ряде режимов, в частности при низкой скорости спада прямого тока или при малом прямом токе на уровне тока удержания (I);
- риск пробоя прибора в неконтролируемой области.
Все это отрицательно влияет на надежность прибора.
+
+
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тиристор [3], выполненный на основе многослойной ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями, образующие ОТС, участок управляющего p-базового слоя в центре полупроводниковой структуры с металлизированной поверхностью, окруженный ВТС, распределенную объемную шунтировку n-p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку эмиттерных n-p-переходов ОТС и ВТС со стороны катодной металлизации и управляющего электрода.
Достоинством конструкции является простота технического решения, высокие динамические параметры и помехозащищенность.
Недостатки конструкции:
- отсутствие фоточувствительной области для оптического управления;
отсутствие встроенных элементов самозащиты от пробоя в несанкционированных режимах эксплуатации.
Следствием этого является ограничение функциональных возможностей и областей применения тиристоров.
Все это сказывается на качестве и надежности приборов.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
1. Функция самозащиты фототиристора от пробоя в период восстановления запирающих свойств;
2. Дополнительная функция самозащиты от пробоя при воздействии напряжения, нарастающего со скоростью, превышающей критическую;
3. Повышение качества и надежности фототиристора.
+
+
+
TO ВТС
TO ОТС
э
H ВТС
э
H ВТС
кр. ОТС
кр. ВТС
q ОТС
q ВТС
Технический результат в предлагаемой конструкции фототиристора, выполненного на основе многослойной ПС, содержащей четыре слоя с чередующимися p- и n-типами электропроводности, сформированные между анодным и катодным металлическими слоями образующие ОТС, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную ВТС, распределенную объемную шунтировку n-p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n-p-эмиттерного перехода ОТС со стороны катодной металлизации, распределенную поверхностную шунтировку n-p-эмиттерного перехода со стороны ВТС, достигается тем, что пороговое напряжение ВТС (U) меньше порогового напряжения ОТС (U) на величину R×I, где R - сопротивление участка полупроводниковой структуры между катодными металлизированными поверхностями ОТС и ВТС, I - ток удержания ВТС, а критический заряд ОТС (Q) больше критического заряда ВТС (Q) и время выключения ОТС (t) меньше времени выключения ВТС (t).
К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:
TO ОТС
TO ВТС
TO
а - разница U - U=ΔU>0;
TO
Э
H ВТС
TO
э
H ВТС
б - функциональная связь ΔU, R и I в виде ΔU≥R×I;
кр. ОТС
кр. ВТС
кр
в - разница Q-Q=ΔQ>0;
q ВТС
q ОТС
q
г - разница t-t=Δt>0.
Положительный эффект достигается за счет:
1. Увеличения плотности, поперечных размеров, уровня легирования объемных и поверхностных шунтов ВТС;
+
n+
2. Увеличения ширины n-эмиттерного слоя ВТС (l);
p
n
3. Уменьшения толщины p- и n-базовых слоев ВТС (W, W);
p
p ОТС
p
p ВТС
4. Уменьшения τ в n - базовом слое ОТС (τ) относительно τ в n-базовом слое ВТС (τ).
Степень изменения параметров по п.1-4 определяется конкретной конструкцией ПС.
На фиг.1а показан вариант ПС фототиристора предлагаемой конструкции в плане со стороны катодной металлизации.
На фиг.1б,в показаны сечения полупроводниковой структуры по А-А и Б-Б.
+
+
+
+
+
2
1
Полупроводниковая структура фототиристора предложенной конструкции (фиг.1а,б,в) содержит четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, где 1-ый слой n-типа, 2-ой слой p-типа, 3-ий слой n-типа, 4-ый слой p-типа. Слои 1 и 4 являются эмиттерными, а слои 2 и 3 - базовыми. Все слои сформированы между двумя металлическим слоями 5 и 6, являющимися катодом и анодом ПС соответственно. Четырехслойная р-n-р-n-структура в совокупности с катодом 5 и анодом 6 образуют ОТС (тиристор T) с распределенной объемной (11) и поверхностной (10) шунтировкой эмиттерного n-p-перехода. В центре ПС находится фоточувствительная область 8, окруженная кольцевым слоем 7 n-типа. Четырехслойная р-n-р-n-структура под катодной металлизацией 9 образует ВТС (тиристор T).
На фиг.2а показана эквивалентная схема ПС на дискретных элементах с сосредоточенными параметрами.
1
2
Статическая вольт - амперная характеристика (ВАХ) ПС (Т) и ее составляющих T и Т показана на фиг.2б.
б
R - сопротивление участка p-базы между 9 и 10 (рис.1).
ш
R - распределенная поверхностная шунтировка 10.
+
Д - диод (эмиттерный n-p-переход ОТС).
н
R - сопротивление нагрузки в цепи тиристора Т (ПС).
1
1
I - ток тиристора T (BTC).
2
2
I - ток тиристора T (ОТС).
T
I - ток тиристора Т (ПС) (суммарный ток ОТС и BTC).
- эквивалентное сопротивление участка цепи 3-2 (на фиг.1 - сопротивление между 9 и 5),
Д
R - сопротивление диода Д.
э
б
ш
2
R≈R+R - ВАХ участка цепи 1-2 при отключенном Т,
H1
1
I - ток удержания T,
H2
2
I - ток удержания Т.
Сущность механизма защитного включения фототиристора в период восстановления запирающих свойств заключается в том, что при выполнении требований (а-г) в конструкции ПС реализуется условия, при которых в процессе коммутации тока первой включается и последней выключается BTC. Это означает, что в любых режимах BTC работает наравне с ОТС как параллельный канал проводимости.
При «медленных» (квазистатических) процессах (f≤50 Гц) достаточно выполнения (а, б). Для объяснения физического смысла этих требований эквивалентная схема ПС (фиг.2а) приведена к варианту, представленному на фиг.3. После включения фототиристора оптическим сигналом управления все возможные варианты проводящего состояния ПС приведены на фиг.2б.
H
1
1
э
э
При заданном сопротивлении нагрузки R с ростом анодного напряжения и тока в цепи рабочая точка на ВАХ фототиристора проходит по траектории (а-6-в-г). Участок (а-б) с повышенным дифференциальным сопротивлением обусловлен протеканием тока I по участку цепи (T R) с относительно высоким R. Наличие отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) на участке (б-в) отражает процесс включения ОТС. На участке (в-г) фототиристор полностью включен. Стрелки на ВАХ показывают направление изменения тока через ПС.
2
H2
1
1
На этапе уменьшения тока (при снижении U) рабочая точка на ВАХ проходит по другой траектории (г-д-е-а). В этом случае появление участка ОДС (д-е) связано с выключением Т (ОТС) при I. Рабочая точка возвращается на исходную траекторию, обусловленную протеканием тока Iпо участку цепи (T Rэ).
2
H
2
H
H
Участки (б-в') и (д-е') на фиг.2б отражают процессы включения и выключения Т в режиме источника тока (R=∞). Участки (б-в'') и (д-е'') относятся к процессам включения и выключения Т в режиме источника напряжения (R=0). Приведенные данные показывают, что функционирование механизма самозащиты не нарушается во всем диапазоне изменения R.
э
э мах.
э мах
TO
H1
TO
э мах
H1
Для функционирования самозащиты в режиме восстановления запирающих свойств более критичным является сопротивление R, которое должно быть не более определенного значения R Согласно (б) R=ΔU/I. При ΔU=const значения R и I связаны гиперболической зависимостью (фиг.4)
н1
эм
TO
В случае постоянства I значения R линейно зависит от ΔU:
э
эмах
1
э мах
2
1
При R>R пороговое напряжение участка цепи (T R) будет больше порогового напряжения T (фиг.2, точка а'). В результате Т будет выключаться первым, что противоречит основному требованию (б), т.е. нарушает функционирование механизма самозащиты.
При «быстрых» процессах коммутации для устойчивого функционирования рассматриваемого механизма самозащиты необходимо выполнение дополнительных требований (в) и (г). Это обусловлено необходимостью гарантированного сохранения остаточного заряда в n-базе ВТС на последней стадии выключения ПС.
Выполнение требования (в) сообщает прибору дополнительную функцию самозащиты от пробоя при воздействии напряжения, нарастающего со скоростью, превышающей критическую. В этом случае первой включается ВТС, анодный ток которой является током управления ОТС.
Предложенное техническое решение распространяется на варианты ПС с количеством ВТС больше одной при условии выполнения требований (а-г).
Предложенное техническое решение распространяется на варианты ПС с встроенной самозащитой от пробоя при переключении вследствие перенапряжения.
Была изготовлена партия фототиристоров по предлагаемому техническому решению с фоточувствительной областью в центре ПС и тремя ВТС на кремнии диаметром 56 мм с удельным сопротивлением 350 Ом.см на напряжение переключения 6-7 кВ.
H
H
1
н
Исследование функции самозащиты фототиристоров в режиме коммутации при неполном восстановлении запирающих свойств проводилось на установке, содержащей источники оптического управления, регулируемого постоянного тока (0-10 А), регулируемых силовых импульсов тока (0-1000 А) синусоидальной формы с длительностью 10 мс. Сначала фототиристор включался оптическим сигналом управления на постоянный ток 1-2 А. Затем постоянный ток снижался до уровня (1,5÷2)I и на постоянную составляющую тока проводился «наброс» силового импульса тока. Реакция фототиристора фиксировалась по виду ВАХ на экране осциллографа. Наблюдения велись при амплитуде силового тока до 10 А и постоянном токе, близком к I. На фиг.5 показана типичная ВАХ фототиристора с характерным гистерезисом, тремя участками ОДС на этапе нарастания силового тока и двумя участками с малым и большим дифференциальным сопротивлением на этапе уменьшения силового тока. На фиг.5 дополнительно нанесена ВАХ первой ВТС (T). Каждый участок ОДС является показателем включения очередной ВТС. Наличие участка ВАХ с большим дифференциальным сопротивлением вблизи I на этапе уменьшения силового тока доказывает на практике функционирование механизма защиты от пробоя в период восстановления запирающих свойств.
Предложенная конструкция может быть использована при проектировании различных полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями p- и n-типа электропроводности.
Заявляемые фототиристоры применяются в современных мощных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, мощных импульсных генераторах и др.
Источники информации.
1. F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schulz, U.Kellner-Werdenhausen. Self-protected High-Power Thyristors. - Proceedings PCIM, Nürnberg, 2001, p.51-56).
2. P.A.Mawby and M.S.Towers, Modelling of self-protected light-triggered thyristors. - IEE Proc. - Circuits Devices Syst. Vol.148, №2, April 2001, p.56-63.
3. Ю.А.Евсеев, А.Н.Думаневич, Ю.M.Локтаев, П.Г.Дерменжи и А.В.Конюхов, Авторское свидетельство СССР №363410, Кл. HOL 11/10, опубл. 28.09.1972.