Реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использована в полупроводниковых коммутаторах электрической энергии.
+
+
Известна конструкция реверсивно-включаемого динистора (РВД) [1], представляющего собой четырехслойную р-n-р-n-структуру с катодным и анодным эмиттерными р-n переходами, закороченные технологическими шунтами, причем шунт одного эмиттера имеет форму цилиндра, расположенного коаксиально с шунтом второго эмиттера, имеющего форму кольца или равностороннего шестиугольника.
Недостатком данного технического решения является большое падение напряжения и соответственно большие потери энергии при протекании обратного тока. Причиной больших падений напряжения является эксцентричное расположение катодных шунтов динистора (анодов диодов), относительно геометрической оси анодных шунтов (катодов диодов). Такое расположение шунтов приводит к значительному увеличению активной длины высокоомных областей встроенных диодов и большим падениям напряжения на них. Вследствие этого максимально-допустимый импульсный обратный ток в РВД в несколько раз ниже максимально допустимого импульсного прямого тока (≥10), что препятствует применению РВД в коммутаторах мощных знакопеременных импульсов тока. Для использования реверсивно-включаемых динисторов в данных коммутаторах необходимо подключение к РВД дополнительных элементов схемы, а именно внешнего антипараллельного диода и дросселя насыщения, препятствующего прохождению тока накачки РВД в диод. Это усложняет конструкцию коммутатора и повышает его стоимость.
+
+
+
+
+
+
+
Предлагаемое техническое решение лишено этого недостатка и обеспечивает возможность коммутации реверсивно-включаемым динистором мощных знакопеременных импульсов тока без внешних дополнительных элементов. Это достигается с помощью конструкции реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью (РВДД), представляющей собой четырехслойную р-n-р-n-структуру с анодным р- и катодным n-эмиттерами, закороченные шунтами, кроме того, в четырехслойную структуру встроены n-n-р-р диоды цилиндрической формы, включенные встречно-параллельно четырехслойной структуре, а р-эмиттер четырехслойной структуры дополнительно закорочен анодными шунтами, расположенными вокруг катодных эмиттеров встроенных диодов.
Дополнительный положительный эффект достигается, когда диаметры катодных и анодных эмиттеров встроенных диодов равны и расположены соосно относительно друг друга, а анодные шунты четырехслойной структуры динистора находятся в углах равносторонних шестиугольников, в центре каждого из которых расположен катодный эмиттер встроенного диода, причем диаметр анодных шунтов четырехслойной структуры динистора должен быть меньше диаметра катодных эмиттеров встроенных диодов, а суммарная площадь анодных шунтов динистора должна быть равной суммарной площади катодных эмиттеров встроенных диодов.
+
+
+
+
+
+
Кремниевая структура РВДД представляет собой силовую интегральную схему, состоящую из большого числа одинаковых элементарных ячеек (ЭЯ), в каждой из которых расположены тиристорные (р-n-р-n), транзисторные (n-р-n) и диодные (n-n-р-р) секции.
К признакам, отличающим предлагаемое техническое решение, относятся:
+
+
- наличие встроенного антипараллельного n-n-р-р диода, выполненного в форме прямого кругового цилиндра;
- центральное расположение катода встроенного диода в пределах площади равностороннего шестиугольника, в углах которого находятся анодные шунты четырехслойной структуры динистора;
- меньший диаметр анодных шунтов четырехслойной структуры динистора по сравнению с диаметром катодного эмиттера встроенного диода;
- примерно равные площади катодного эмиттера встроенного диода и треть площади анодных шунтов, расположенных в углах равностороннего шестиугольника.
Конструкция полезной модели показана на чертежах.
Фиг. 1 - Радиальное сечение элементарной ячейки реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью.
Фиг. 2 - Общий вид одной элементарной ячейки со стороны анода динистора.
Фиг. 3 - Общий вид элементарных ячеек со стороны катода динистора.
1 - n-база;
2 - коллекторный р-n-переход;
+
3 - катодный n-эмиттер динистора;
+
4 - анодный р-эмиттер динистора;
5 - катодный эмиттер встроенного диода;
6 - анодный эмиттер встроенного диода;
+
7 - анодные шунты р-эмиттера динистора;
8 - металлизация анода;
9 - металлизация катода;
+
+
+
10 - тиристорные n-р-р-n-р секции;
+
+
+
11 - транзисторные n-p-p-n-n секции;
+
+
12 - диодные р-р-n-n секции.
+
В данной конструкции включение РВДД производится кратковременным приложением напряжения обратной полярности, что приводит к протеканию импульса обратного тока - тока накачки динистора. В этот момент происходит пробой низковольтного n-р-перехода и встречная инжекция носителей заряда с коллекторного перехода 2 и анодных шунтов 7 в высокоомную n-базу 1 динистора. В результате в тиристорных 10 и транзисторных 11 секциях возникает тонкий и однородный слой электронно-дырочной плазмы, который при смене полярности напряжения, инициирует инжекцию неосновных носителей из эмиттерных областей 3 и 4 в базовые области динистора, приводящей к быстрому включению всей активной площади прибора с низкими значениями переходного и установившегося падений напряжений.
На этапе накачки часть обратного тока протекает через встроенные диодные секции 12. Однако влияние этого тока на процесс быстрого включения динистора существенно слабее по сравнению с током накачки, протекающим через анодные шунты 7 в секции 11. В пределах ЭЯ обратный ток встроенного диода при накачке вызывает включение тиристорной секций 10 в узкой области вблизи боковой поверхности диода. В этом случае при нормированных токах накачки включение динистора происходит неоднородно - с временной задержкой, связанной с процессом распространения включенного состояния. Основная накачка в РВДД при длительностях управляющего тока 1-3 мкс проходит через анодные шунты 7 в секциях 11, а последующая за ней коммутация импульса тока прямой полярности происходит в секциях 10 и 11 однородно по всей площади динистора, без задержки относительно времени перехода тока накачки через ноль.
С другой стороны встроенные диоды РВДД имеют значительно меньшие падения напряжения при протекании силового импульса тока обратной полярности по сравнению с квазидиодами в секциях 11 и способны пропускать обратные токи, сопоставимые с прямыми импульсными токами. Разделение РВДД по секциям 11, 10 и 12, ответственных за накачку, протекание силового прямого и обратного токов, позволяет использовать РВДД в режимах коммутации мощных слабозатухающих двухполярных импульсов тока при длительностях тока от нескольких единиц до десятков микросекунд. В этом режиме, следующие после первого импульса прямого тока, силовые импульсы обратного тока служат также эффективной накачкой в базовые области электронно-дырочной плазмы для коммутации многократно повторяющихся импульсов прямого тока.
+
+
Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере изготовления реверсивно-включаемого динистора РВДД153-50-20 на импульсный ток 50000 А и максимальное блокирующее напряжение до 2500 В. Полупроводниковая структура р-n-р-n типа диаметром 2 дюйма изготавливалась на основе нейтронно-легированного кремния КОФ80-60.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В кремниевой пластине n-типа проводимости с помощью диффузии бора и алюминия с одной стороны формируют р-р-n-структуру и производят окисление поверхностей. Затем с помощью фотолитографии по окислу кремния вскрывают участки со стороны р-типа проводимости под катодный n-эмиттер 3 динистора и со стороны n-типа проводимости под катодные эмиттеры 6 встроенных диодов и анодные шунты 7 р-эмиттера динистора, в которые проводят загонку фосфора. Затем проводят разгонку фосфора с одновременной диффузией бора со стороны анода динистора, которая формирует анодный р-эмиттер 4. Причем в каждой элементарной ячейке катодный эмиттер 6 и анодный эмиттер 5 встроенного диода размещают на одной оси друг под другом, а анодные шунты 7 в количестве 6 шт. размещают по окружности в углах правильного шестиугольника вокруг катодного эмиттера 6 встроенного диода. Размер элементарной ячейки, состоящей из встроенного диода и шести анодных шунтов 7, образующих n-р-n транзистор составляет 0,92 мм. На пластине диаметром 50 мм размещают 2690 шт. элементарных ячеек динистора. После окончательного формирования четырехслойной р-n-р-n структуры производится металлизация контактных поверхностей РВДД со стороны анода 8 и катода 9.
Сравнительные испытания предлагаемой конструкции и прототипа показали, что соотношение импульсного прямого тока к обратному току в РВДД уменьшается в 7 раз по сравнению с РВД. Работоспособность конструкции полупроводниковой структуры РВДД была проверена в блоке коммутатора предионизации мощной лазерной установки. Установлено, что реверсивно-включаемые динисторы с обратной проводимостью с блокирующим напряжением до 2500 В надежно работают в режиме двухполярных импульсов силового тока амплитудой до 50 кА с длительностью импульсов тока до 150 мкс. При этом за счет исключения из коммутатора предионизации высоковольтной диодной сборки и других элементов силовой схемы (дросселей задержки, варисторов) габаритные размеры и стоимость коммутатора на основе РВДД уменьшается более чем в 2 раза.
Источник информации
[1] Авторское свидетельство СССР №1554690. Зарегистрировано 04.04.1988. «Реверсивно-включаемый динистор».