ДИНИСТОР

Полезная модель относится к области наносекундной импульсной техники и может быть использована в качестве элементной базы для создания генераторов мощных импульсов.
+
+
+
+
Известен динистор (см. патент RU2697874, МПК H01L 29/74, опубл. 21.08.2019), представляющий собой четырехслойную р-n-р-nструктуру с анодным р-эмиттером и катодным n-эмиттером, которые закорочены шунтами с встроенными обратными диодами. В центральной области динистора расположен асимметричный тиристор с активной областью, имеющей общие с динисторной структурой n- и р-базы, высоковольтный коллекторный переход, катодную и анодную металлизации.
Коммутация силового тока в известном динисторе производится в результате включения внутреннего тиристора импульсом малой мощности, который подают на его управляющий электрод. Если силовой ток изменяет полярность, то он протекает через встроенные диоды динисторной структуры. В результате вблизи коллекторного перехода накапливается управляющий плазменный слой, который при следующей смене полярности силового тока обеспечивает малое падение напряжения на структуре динистора.
Известный динистор имеет относительно малое время переключения в состояние с высокой проводимостью. Оно составляет несколько сотен наносекунд и определяется физическими принципами работы встроенного тиристора. В результате сравнительно низкими являются потери энергии в первые моменты после его переключения, что определяет недостаточно высокие коммутационные возможности динистора при коммутации наносекундных импульсов тока.
+
+
+
+
+
Известен динистор (см. патент RU171465, МПК H01L 29/74, опубл. 01.06.2017), выполненный в виде четырехслойной р-n-р-nструктуры с анодным р-эмиттером и катодным n-эмиттером, которые закорочены шунтами с встроенными диодами цилиндрической формы, включенными встречно-параллельно четырехслойной структуре, а р-эмиттер четырехслойной структуры закорочен анодными шунтами, расположенными вокруг катодных эмиттеров встроенных диодов.
Переключение динистора производится внешней цепью, обеспечивающей протекание короткого тока управления через встроенные диоды, равномерно распределенные по рабочей площади. В результате в структуре динистора формируется управляющий плазменный слой, обеспечивающий время переключения в состояние с высокой проводимостью не более нескольких десятков наносекунд. Такое время позволяет эффективно коммутировать микросекундные импульсы тока, но оно недостаточно мало для обеспечения низких коммутационных потерь энергии в наносекундном диапазоне. В результате при коммутации наносекундных импульсов тока известный динистор имеет недостаточно высокие коммутационные возможности.
+
+
Известен динистор (см. патент RU164476, МПК H01L 29/87, опубл. 10.09.2016), который включает анод, катод и четырехслойную р-n-р-nструктуру, которая имеет краевой контур в виде кольцевой двухступенчатой фаски, снятой с наклоном от катода к аноду. Объем слаболегированного n-слоя полупроводниковой структуры, расположенный под фаской, имеет время жизни неосновных носителей заряда, сниженное до величины ≤0,1 мкс путем облучения электронами и практически не переключается. В результате после коммутации импульсов силового тока устранена возможность образования приповерхностного проводящего инверсного канала, что исключает опасное возрастание тока утечки. Известный динистор способен включаться за очень малое время (менее одной наносекунды) за счет создания волны ударной ионизации наносекундным импульсом перенапряжения.
Недостатком известного динистора является то, что он имеет не очень высокие коммутационные возможности, которые обусловлены уменьшением токопроводящей площади его структуры в результате облучения и недостаточно малой толщиной низколегированной n-базы, обеспечивающей блокирование как прямого, так и обратного напряжения.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Известен динистор (см. патент RU187991, МПК H01L 29/87, опубликован 26.03.2019), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Динистор-прототип включает полупроводниковую четырехслойную р-n-р-nструктуру, в которой уровень легирования р-слоя существенно выше, чем n-слоя, анод и катод, при этом по краю n-слоя (эмиттера n-типа) выполнены выходящие на катод области р-слоя, образующие узкое кольцо, в р-слое (эмиттере р-типа) выполнены выходящие на анод области n-типа в виде цилиндров диаметром (200-300) мкм, расположенных на расстоянии (2-3) мм друг от друга, а р-n-р-nструктура имеет краевой контур в виде кольцевой двухступенчатой фаски, снятой с наклоном от анода к катоду, на которую нанесен защитный компаунд.
+
+
Введенные в эмиттер р-типа области n-типа определяют обратную проводимость динистора-прототипа, что позволяет предельно уменьшить толщину слаболегированного n-слоя, определяющего основные потери энергии при протекании силового тока. Переключение динистора-прототипа осуществляют импульсом высокого напряжения, нарастающим со скоростью >1 кВ/нс, который инициирует процесс ударной ионизации атомов материала его структуры, обеспечивающий субнаносекундное время переключения в проводящее состояние.
Однако динистор-прототип имеет недостаточно высокую проводимость в первые моменты после включения, обусловленную сравнительно невысокой интенсивностью процесса ударной ионизации, что определяет невысокие коммутационные возможности при коммутации импульсов с наносекундным фронтом нарастания.
Задачей настоящего технического решения является разработка динистора с более высокими коммутационными возможностями за счет повышения интенсивности процесса ударной ионизации.
+
+
+
+
+
+
+
+
Поставленная задача решается тем, что динистор включает полупроводниковую четырехслойную р+-n-р-n+-структуру, в которой уровень легирования р-слоя существенно выше, чем n-слоя, анод и катод. р-n-р-n-структура имеет краевой контур в виде кольцевой фаски. В центральной области р-эмиттера выполнены выходящие на анод эквидистантно расположенные равновеликие области n-типа. Новым в динисторе является то, что в n-эмиттере выполнены выходящие на катод равновеликие области р-типа, окружающие участки n-эмиттера, соосно (оппозитно) расположенные с равновеликими областями n-типа, окружающими участки эмиттера р-типа.
+
+
2
Площадь каждого участка эмиттера р-типа и эмиттера n-типа предпочтительно не превышает 10 мм, так как при большей площади может быть не обеспечена однородность процесса переключения структуры динистора, расположенной между ними.
+
+
Границы участков эмиттера р-типа и границы участков эмиттера n-типа могут быть удалены от краевого контура (фаски) на расстояние не менее 1 мм, для исключения возможности образования на фаске токопроводящего инверсного канала, который приводит к опасному увеличению тока поверхностной утечки и к деградации краевого контура.
+
+
+
+
+
Общая площадь областей n-типа и общая площадь областей р-типа предпочтительно составляет не более 0,25 общей площади соответственно эмиттера р-типа и эмиттера n-типа, что обеспечивает достаточно большую токопроводящую площадь динистора, которая определяется суммарной площадью участков эмиттеров р- и n-типа.
+
+
Эмиттер р-типа и эмиттер n-типа может быть выполнен в виде соосно расположенных равновеликих участков (квадратов, равносторонних шестиугольников, прямоугольников).
Выходящие на катод области р-типа могут быть дополнительно легированы для уменьшения контактного сопротивления.
На кольцевую фаску может быть нанесен слой защитного компаунда.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показана в разрезе структура динистора-прототипа;
на фиг. 2 изображена в разрезе структура настоящего динистора;
+
на фиг. 3 показан общий вид структуры динистора со стороны анода при выполнении эмиттеров р-типа в форме квадрата;
+
на фиг. 4 показан общий вид структуры динистора со стороны катода при выполнении эмиттеров n-типа в форме квадрата.
+
2
+
2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
На фиг. 1 фиг. 2 показаны: 1 - эмиттер р-типа, выполненный, например, в виде равновеликих квадратов (фиг. 3), площадью, например, не более 10 мм; 2 - n-слой, 3 - р-слой, 4 - эмиттер n-типа, выполненный, например, в форме равновеликих квадратов (фиг. 4), площадью, например, не более 10 мм, образующие полупроводниковую, например кремниевую, четырехслойную р-n-р-n-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 - выходящие на анод 5 эквидистантно расположенные равновеликие области nтипа; 8 - выходящие на катод 6 равновеликие области р-типа, соосно (оппозитно) расположенные с равновеликими областями 7 n-типа; 9 - кольцевая фаска, которая может быть покрыта защитным компаундом 10. Границы участков эмиттера 1 р-типа и границы участков эмиттера 4 n-типа предпочтительно удалены от краевого контура на расстояние не менее 1 мм. Общая площадь областей 7 n-типа и общая площадь областей 8 р-типа предпочтительно составляет не более 0,25 общей площади соответственно эмиттера 1 р-типа и эмиттера 4 n-типа. Кольцевая фаска 9 исключает поверхностный пробой даже при предельно малой ширине расположенных под ней краевых областей. Защитный компаунд 10, например, силоксановый каучук, обеспечивает герметизацию фаски 9. Равномерно распределенные участки эмиттеров 1, 4 имеют одинаковые размеры, располагаются соосно и формируют тиристорные р-n-р-nсекции настоящего динистора. Области 7, 8 формируют диодные n-n-р секции. Тиристорные и диодные секции расположены под общими контактами анода 5 и катода 6, имеют общий высоковольтный р-n переход и позволяют блокировать силовое напряжение до момента переключения динистора. При запуске динистора в тиристорных секциях развивается процесс ударной ионизации, обеспечивающий их включение. При коммутации силового тока тиристорные секции определяют проводимость настоящего динистора. Диодные секции повышают интенсивность процесса ударной ионизации в тиристорных секциях, при этом повышается плотность образующейся плазмы и увеличивается начальная проводимость тиристорных секций после их переключения. В результате в динисторе уменьшаются коммутационные потери энергии и увеличиваются его коммутационные возможности.
+
+
+
+
+
+
+
Настоящий динистор работает следующим образом. В исходном состоянии к его полупроводниковой р-n-р-nструктуре 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) с максимальным полем в области n-р перехода. Для исключения возможности стационарного пробоя электрофизические и геометрические параметры слоев 2, 3 задаются таким образом, что при приложении рабочего напряжения границы ОПЗ располагаются на достаточно большом расстоянии от участков эмиттеров 1, 4. Переключение настоящего динистора осуществляют импульсом высокого напряжения, нарастающим со скоростью более кВ в наносекунду. Такая скорость обеспечивается пропусканием через динистор мощного тока управления, который осуществляет быструю зарядку собственных емкостей, составляющих структуру динистора тиристорных р-n-р-nи диодных n-n-р секций. При очень быстром нарастании запускающего напряжения напряженность поля в ОПЗ уже через 2-3 не становится выше предельно допустимой в стационарных условиях, но продолжает нарастать, так как за это время объемный и поверхностный пробой развиться не успевают. В процессе нарастания запускающего напряжения осуществляется инжекция носителей заряда из эмиттеров 1,4 тиристорных р-n-р-nсекций. Они попадают в ОПЗ и ускоряются полем к области n-р перехода. Попадая в зону ОПЗ с достаточно сильным полем, инжектируемые носители тока инициируют процесс ударной ионизации атомов материала структуры (например, кремния). В результате тиристорные секции за время меньшее 1 нс заполняются электронно-дырочной плазмой и переключаются в проводящее состояние. Этот процесс развивается за счет энергии, накопленной в собственных емкостях тиристорных секций при их зарядке током управления. При недостаточной величине накопленной энергии интенсивность процесса ударной ионизации снижается. Это может привести к уменьшению плотности генерируемой плазмы и к уменьшению проводимости тиристорных секций после переключения. При определенных условиях возможно локальное переключение (шнурование). В настоящем динисторе тиристорные секции его структуры окружены диодными секциями. При протекании тока управления собственные емкости диодных секций заряжаются до того же напряжения, что и собственные емкости тиристорных секций. В процессе переключения тиристорных секций через них протекает ток разряда собственных емкостей диодных секций. При этом в тиристорные секции передается дополнительная энергия, величина которой определяется площадью диодных секций. Так как диодные секции вплотную охватывают тиристорные секции, то передача дополнительной энергии происходит очень быстро, что позволяет эффективно влиять на развитие процесса переключения тиристорных секций. В результате в тиристорных секциях повышается интенсивность процесса ударной ионизации. Высокая плотность образующейся плазмы определяет высокую проводимость динистора в первые моменты после переключения, что повышает его коммутационные возможности.
Дополнительное легирование выходящих на катод областей 8 р-типа позволяет уменьшить величину сопротивления цепи разряда диодных секций и повысить эффективность передачи энергии из диодных секций в тиристорные в процессе переключения последних.
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 динисторе-прототипе в эмиттере р-типа были выполнены выходящие на анод области n-типа в виде окружностей с диаметром 200 мкм, расположенных на расстоянии ~2 мм друг от друга, в его эмиттере n-типа было выполнено выходящее на катод периферийное кольцо р-типа с шириной ~2 мм. В настоящем динисторе эмиттер р-типа и эмиттер n-типа были выполнены в виде соосно расположенных квадратов размером (2,5×2,5) мм, которые были окружены выходящими на анод и на катод областями, соответственно n-типа и р-типа, выполненными шириной 150 мкм. ⋅Структуры исследуемых динисторов были изготовлены из кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением ~200 Ом⋅см и имели толщину ~600 мкм, р-слой был получен совместной диффузией алюминия и бора на глубину 120 мкм, ри n эмиттеры были созданы диффузией бора и фосфора, соответственно, на глубину 22 мкм и 24 мкм. Выходящие на анод и на катод области области n-типа и р-типа были выполнены с использованием фотолитографии на стороне n слоя и р слоя, соответственно. Выполнение областей n-типа проводилось одновременно с выполнением эмиттера n-типа. С боковых поверхностей настоящего динистора и динистора-прототипа была снята двухступенчатая фаска. Крутая и пологая ступени фаски снимали под углом 30° и 2,5°, соответственно, и были покрыты слоем защитного компаунда в виде силоксанового каучука (ЛОСК). Эксперименты проводились на специальном стенде. Переключение настоящего динистора и динистора-прототипа осуществлялось с помощью системы управления на основе 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 импульс тока разряда конденсатора с емкостью 360 нФ. Предельно малая индуктивность цепи разряда (~40 нГн) обеспечивала высокую амплитуду и скорость нарастания коммутируемого тока (~70 кА/мкс).
Эксперименты показали, что при одинаковом напряжении зарядки конденсатора (3 кВ) амплитуда его разрядного тока при использовании настоящего динистора была на 16% больше, чем при использовании динистора-прототипа (соответственно 6,1 и 5,3 кА). Полученный результат свидетельствует о том, что настоящий динистор при прочих равных условиях имеет более высокие коммутационные возможности, по сравнению с динистором-прототипом.