МОЩНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТИРИСТОР С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к области мощных полупроводниковых приборов, точнее - приборов с полным управлением, которые включаются и выключаются импульсом тока или напряжения в цепи управления и может быть использовано для создания элементной базы устройств силовой полупроводниковой преобразовательной техники.
Силовой полупроводниковый прибор, в общем случае, должен блокировать высокое напряжение, быстро включать и выключать большой ток, иметь малые электрические потери при включении и выключении и потреблять малую мощность в цепи управления.
+
+
+
Из известных мощных полупроводниковых приборов наилучшее сочетание этих характеристик имеет мощный интегральный тиристор с полевым управлением [V А К. Temple "MOS-Controlled Thyrinstor-MCT - A New Class of Power Devices" IEEE Transaction on El Dev., V ED-38, N16, pp. 1609-1618, 1986], кремниевый чип которого состоит из нескольких сотен тысяч параллельно работающих ячеек с характерным размером (10÷15) мкм, каждая из которых представляет собой npNp микротиристор, выключение которого осуществляется замыканием накоротко np-эмиттерного перехода с помощью встроенного в ячейку полевого микротранзистора. Такой интегральный тиристор, подобно обычному тиристору, может блокировать большое напряжение, имеет малое остаточное напряжение, высокое быстродействие при включении и выключении, и, в отличие от обычного тиристора, малые затраты мощности в цепи управления, поскольку эта мощность потребляется только для формирования канала встроенного полевого микротранзистора.
Принципиальным недостатком такого прибора является сложность конструкции элементарной ячейки, связанная с необходимостью формирования в ней планарного микротранзистора и потерей рабочей площади силового чипа, которую занимают эти микротранзисторы, не участвующие в проведении силового тока.
+
+
+
Известна также конструкция мощного интегрального тиристора с полевым управлением [Грехов И.В., Костина Л.С., Рожков А.В., Матвеев В. И., Зитта Н. Ф. «Мощный интегральный тиристор с полевым управлением», патент на полезную модель №58787, приоритет от 06 июня 2006 г.], выбранная прототипом предлагаемого изобретения, кремниевый чип которого состоит из множества параллельно включенных микротиристорных npNp ячеек с характерной шириной (10÷15) мкм и длиной (100÷150) мкм, у которых металлические контакты к nр-эмиттеру и р-базе выведены на соответствующие токоподводящие шины, к которым подключен один мощный низковольтный полевой транзистор. Одновременное выключение всех ячеек микротиристорного чипа осуществляется путем замыкания эмиттерной и базовой шин этим транзистором при подаче на его затвор управляющего импульса напряжения. Такое разделение биполярной (тиристорной) и полевой (транзисторной) технологий позволяет существенно упростить технологию изготовления силового микротиристорного чипа и увеличить его полезную (рабочую) площадь за счет удаления из каждой ячейки полевого транзистора. Низковольтный мощный полевой транзистор (MOSFET), замыкающий шины для выключения чипа, в настоящее время является массовым прибором с невысокой стоимостью.
Работает устройство-прототип следующим образом.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Включение всех микротиристорных ячеек осуществляется пропусканием по шинам импульса управляющего тока (минус на эмиттерной шине), а выключение - замыканием шин внешним полевым транзистором, на затвор которого подается импульс напряжения, формирующий токопроводящий канал. В проводящем состоянии в базовых слоях накоплена электронно-дырочная плазма высокой плотности. Шунтирование эмиттерного np перехода внешним полевым транзистором через шины прерывает инжекцию электронов, а дырки из р-базы уходят по р-слою вдоль n-слоя в базовый р-контакт и далее через канал транзистора во внешнюю цепь. После удаления плазмы из р-слоя и прилегающей к нему части М-слоя коллекторный pN-переход смещается в запорном направлении и прибор выключается. Выключение микротиристорной ячейки путем замыкания накоротко nр-эмиттера с р-базой возможно только в том случае, если падение напряжения при протекании всего силового тока ячейки по цепи от р-базы 3 до внешнего контакта не превышает порогового значения для начала инжекции электронов nр-эмиттером. Это напряжение равно примерно 0.6 вольта для кремниевого np-перехода. Расчеты и эксперименты показывают, что наиболее существенную часть в сопротивление этой цепи вносит сопротивление растекания базового р-слоя под эмиттерным n-слоем. Этот слой является базовым слоем управляемого npN-транзистора микротиристорной npNp-ячейки. Его толщина и уровень легирования должны быть достаточно малыми, чтобы обеспечить малое время пролета электронов через р-базу и высокий коэффициент инжекции np-эмиттера, т е, обеспечить высокое быстродействие при включении и малое остаточное напряжение во включенном состоянии. С другой стороны, толщина и уровень легирования должны быть достаточно велики для того, чтобы обеспечить малое тангенциальное сопротивление р-базы, т.е. обеспечить возможность выключения большого тока, а также предотвратить смыкание области объемного заряда коллекторного рN-перехода с эмиттерным n-слоем при блокировании полного рабочего напряжения. Таким образом, при увеличении быстродействия и уменьшении остаточного напряжения уменьшается предельная величина выключаемого тока.
+
+
В принципе, тангенциальное сопротивление р-слоя можно уменьшить путем уменьшения размера np-эмиттера в направлении протекания дырочного тока. В конструкции прибора, взятой за прототип, этот размер лежит в пределах (5÷12)мкм, что дает возможность производить такие приборы на простых технологических линиях с топологическим разрешением (1.5÷2.0)мкм. Уменьшение размера n-эмиттера, например, до единиц микрон, потребует перехода на оборудование с субмикронным разрешением, что резко увеличит сложность и стоимость технологического процесса, а также уменьшит выход годных приборов.
Таким образом, существующая конструкция прототипа является компромиссным вариантом между противоречивыми требованиями к параметрам конструкции, определяющими динамические характеристики (максимальный выключаемый ток, времена включения и выключения) и статические характеристики (остаточное напряжение во включенном состоянии), а также степень сложности технологии изготовления.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшить эти противоречия и решает задачу увеличения предельной плотности тока, выключаемого интегральным тиристором с внешним полевым управлением, без ухудшения основных параметров устройства, таких как быстродействие и остаточное напряжение.
+
+
+
+
+
+
+
+
Задача решается мощным интегральным тиристором с внешним полевым управлением, содержащим по меньшей мере один чип, состоящий из множества параллельно электрически соединенных микротиристоных npNp-ячеек, включающих nр-эмиттер, р-базу, N-базу, Nр-эмиттер, рN-коллекторный переход и металлические контакты к nр-эмиттеру и р-базе, выведенные к соответствующим токоподводящим шинам, и один общий для всех ячеек мощный полевой транзистор, включенный между шинами, причем толщина центральной части n-слоя nр-эмиттера каждой ячейки выполнена меньшей, чем толщина его обеих периферийный частей, симметрично расположенных относительно центральной части, ширина каждой центральной части n-слоя лежит в пределах от 1 мкм до 5 мкм, ширина периферийной части - от 2 мкм до 5 мкм, толщина центральной части составляет от 0.2 мкм до 2 мкм, а толщина периферийных частей - от 1.5 мкм до 5 мкм.
На Фиг. изображена предлагаемая конструкция чипа, где:
+
+
1 - nрNр-микротиристорная ячейка;
+
2 - nр-эмиттер;
3 - р-база;
4 - N-база;
+
5 - Nр-эмиттер;
6 - коллекторный рN-переход;
7 - металлический контакт к эмиттерам;
8 - металлический контакт к базам;
9 - внешний полевой транзистор;
10 - эмиттерная и базовая шины.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Одновременное переключение всех микротиристорных ячеек 1 в проводящее состояние осуществляется пропусканием импульса тока по шинам (минус на эмиттерной шине 10). Электроны, инжектируемые nр-эмиттером 2, вызывают встречную инжекцию дырок, инжектируемых Nр-эмиттером 5, и переключение тиристорных ячеек 1 в проводящее состояние. Переключение у внешнего периметра эмиттера начинается раньше, чем в его центральной части и происходит быстрее, поэтому скорость нарастания тока при включении определяется быстродействием тонкобазовой периферийной части ячейки 1. В стационарном включенном состоянии инжектирует вся площадь np-эмиттера 2. Плотность тока в его центральной части с большей шириной базовой области несколько меньше, чем у внешнего периметра, вследствие меньшего коэффициента инжекции np-эмиттера из-за большей концентрации легирующей примеси у границы с n-слоем и меньшего коэффициента переноса через более толстую р-базу. Однако, из-за того, что ширина ячейки значительно меньше как толщины N-базы 4, так и диффузионной длины носителей тока в ней, то вся N-база заполняется хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой практически однородно, и поэтому остаточные напряжение на npNp-ячейке 1 с уменьшенной толщиной n-слоя в центральной части практически такое же, как было бы на ячейке с одинаковой толщиной n-слоя по всей площади.
+
+
+
+
+
+
+
+
Выключение всех микротиристорных ячеек 1 осуществляется путем замыкания накоротко эмиттерных и базовых шин 10 внешним полевым транзистором 9. При этом прекращается инжекция электронов из np-эмиттеров 2, дырки из р-базы 3 уходят вдоль n-слоя в р-контакт и далее через транзистор 9 во внешнюю цепь, а электроны уходят в N-базу 4, вызывая встречную инжекцию дырок рN-эмиттером 5. После удаления электронно-дырочной плазмы из р-базы 3 и прилегающей к ней области N-базы 4, коллекторный рN-переход 6 смещается в запорном направлении, и ток через микротиристорные ячейки 1 резко уменьшается. После этого процесса в N-базе 4 остается значительное количество электронно-дырочной плазмы в области Np-эмиттером 5, дырки из которой уходят через образующуюся область объемного заряда (ООЗ) коллекторного рN-перехода 6, вызывая соответствующую инжекцию дырок прямосмещенным Nр-эмиттером 5. Таким образом, через ячейку протекает дырочный ток, уменьшающийся во времени по мере рекомбинации запаса избыточных электронов в N-базе 4. Уменьшение толщины эмиттерного n-слоя в центральной части ячейки приводит к увеличению толщины р-базы 3, т.е. к уменьшению тангенциального сопротивления и к соответствующему увеличению предельного выключаемого тока. Поскольку р-база 3, как правило, изготавливается путем термодиффузии бора в N-кремний из источника с постоянной концентрацией, то удельное сопротивление в ней быстро уменьшается по мере приближения к поверхности и поэтому уменьшение толщины n-слоя приводит к резкому (нелинейному) уменьшению сопротивления растекания.
+
+
+
Таким образом, предлагаемая конструкция микротиристорной npNp-ячейки с уменьшенной толщиной n-эмиттерного слоя в центральной части позволяет увеличить предельное значение выключаемого тока без ухудшения статических и динамических характеристик.
+
+
Как установили авторы, для создания микротиристорных чипов с предельными значениями выключаемого тока, большими чем у прототипа, ширина центральной части n-слоя n-эмиттера должна быть (1÷5)мкм, ширина его периферийной части (2÷5) мкм, толщина центральной части от 0.2 мкм до 2 мкм, а толщина периферийных частей - от 1.5 мкм до 5 мкм.
Эти параметры выбираются из следующих соображений.
+
+
+
7
+
+
+
+
2
f
p
f
p
s
s
f
кр
Как уже отмечалось, предельная величина выключаемого тока в микротиристорной ячейке возрастает при уменьшении сопротивления растекания базового р-слоя под эмиттерным n-слоем, поэтому уменьшение ширины n-слоя в направлении протекания тока при выключении приводит к увеличению выключаемого тока. Этот ток в направлении от N-базы к рослою р-слою управляющего электрода является чисто дырочным. Концентрация свободных дырок P в потоке растет с плотностью дырочного тока j по закону P=j/qV, где q - заряд электрона, V - насыщенная скорость дырок в кремнии (~10 см/сек), когда P становится сравнимой с концентрацией легирующей примеси в N-базе, нескомпенсированный нескомпенсированный заряд движущихся дырок формирует электрическое поле, быстро увеличивающееся с ростом тока. Когда напряженность поля достигает критической величины Е для лавинного пробоя, прибор выходит из строя. Это явление создает фундаментальное ограничение предельной плотности выключаемого тока. Поскольку уменьшение ширины n-слоя приводит к усложнению и удорожанию технологии изготовления прибора, эту ширину выбирают не менее той, которая обеспечивает выключение тока, равного критическому току, вызывающему лавинный пробой. В приборах с конструкцией прототипа оптимальная расчетная ширина n-слоя должна быть равной 3-4 мкм и предельная плотность выключаемого тока, ограниченная лавинным пробоем, должна составлять ~250 А/см. Однако, из-за технологической сложности создания металлических контактов большой толщины (~5 мкм) для проведения силового тока в ячейке таких малых размеров приходится увеличивать ширину n-слоя до ~12 мкм. В этом случае предельная плотность выключаемого тока ограничивается уже не лавинным пробоем, а сопротивлением растекания р-слоя под n-слоем и составляет ~100 А/см.
+
+
+
В предлагаемой конструкции прибора для уменьшения сопротивления растекания р-слоя толщина центральной части расположенного под ним n-слоя уменьшена относительно обеих периферийных частей. Чем меньше толщина и больше ширина центральной части n-слоя, тем меньше сопротивление растекания расположенного под ним р-слоя, и, соответственно, больше предельная величина выключаемого тока. Однако, при этом возрастает остаточное напряжение во включенном состоянии и может ухудшиться быстродействие. Предлагаемый диапазон изменения геометрических размеров n-слоя определен экспериментально и обеспечивает увеличение выключаемого тока без существенного увеличения остаточного напряжения и ухудшения быстродействия.
Устройство работает следующим образом.
+
+
В стационарном выключенном состоянии коллекторный pN переход 6 блокирует внешнее напряжение, приложенное к силовым клеммам. Для включения прибора через эмиттерную и базовую шины 10 пропускается короткий (0.5 мкс) импульс тока в проводящем направлении (минус на n-слое). При этом все тиристорные ячейки 1 переходят во включенное состояние и через нагрузку протекает силовой ток. Для выключения прибора в цепь управления силового транзистора 9 подается импульс напряжения, формирующий проводящий канал. Этот канал замыкает накоротко nр-эмиттер 2, инжекция электронов прекращается, и прибор переходит в выключенное состояние.
Пример 1.
-4
18
-3
13
-3
+
20
-3
4
2
+
Согласно формуле предлагаемого изобретения на технологической линии с топологическим разрешением (1.5÷2)мкм был изготовлен чип интегрального тиристора соответственно Фиг. Коллекторный рN-переход был изготовлен диффузией на глубину 6· 10 см бора с поверхностной концентрацией 1·10 см в пластину кремния с концентрацией донорной примеси (фосфора) 3·10 см. Затем были изготовлены n-эмиттеры в виде полосок шириной 12 мкм и длиной 100 мкм путем диффузии фосфора с поверхностной концентрацией 1·10 см. Центральная часть имела ширину 4 мкм и толщину 1 мкм, периферийные части полосок имели ширину 4 мкм и толщину 3 мкм. Общее число полос было 2·10, рабочая площадь чипа 0.5 см. Одновременно был изготовлен, согласно прототипу, аналогичный чип, но без углубления в центральной части n-эмиттера. Характеристики обоих чипов - прототипа и изобретения, соответственно:
- блокируемое напряжение напряжение:
3 кВ-3 кВ,;
- остаточное напряжение при токе 50 А:
2.2 В-2.3 В;,
- предельный выключаемый ток:
60 А-120 А,;
- время включения:
0.3 мкс-0.3 мкс;,
- время выключения:
1.5 мкс-1.5 мкс.
Таким образом показано, что предлагаемое устройство позволяет вдвое увеличить предельный выключаемый ток без ухудшения остальных характеристик чипа.
+
В следующих примерах приборы имели такую же конструкцию, как и в Примере 1; варьировались только размеры (ширина и толщина) центральной и периферийных частей n-эмиттеров.
Пример 2.
То же, что в примере 1, но ширина центральной части - 1 мкм. .
Остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.2 В
предельный выключаемый ток
- 85 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
Пример 3.
То же, что в примере 1, но ширина центральной части - 5 мкм.
Остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.4 В
Предельный выключаемый ток
- 130 А
Время включения
- 0.3 мкс
Время выключения
- 1.3 мкс
Пример 4.
То же, что в примере 1, но толщина центральной части - 0.2 мкм.
Остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.4 В
предельный выключаемый ток
- 150 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.0 мкс
Пример 5.
То же, что в примере 1, но толщина центральной части - 2.0 мкм.
остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.2 В
предельный выключаемый ток
- 100 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
Пример 6.
То же, что в примере 1, но ширина периферийной части - 2.0 мкм.
остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.2 В
предельный выключаемый ток
- 120 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
Пример 7.
То же, что в примере 1, но ширина периферийной части - 5.0 мкм.
остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.2 В
предельный выключаемый ток
- 80 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
Пример 8.
То же, что в примере 1, но толщина периферийной части - 1.5 мкм
остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.5 В
предельный выключаемый ток
- 120 А
время включения
- 0.4 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
Пример 9.
То же, что в примере 1, но толщина периферийной части - 5.0 мкм.
остаточное напряжение при токе 50 А
- 2.2 В
предельный выключаемый ток
- 100 А
время включения
- 0.3 мкс
время выключения
- 1.5 мкс
+
Из приведенных примеров видно, что уменьшение толщины и увеличение ширины центральной части ведет к увеличению предельной величины выключаемого тока, однако при этом ненамного увеличивается остаточное напряжение во включенном состоянии. Увеличение ширины периферийной части (при неизменной суммарной ширине эмиттерной n-полосы) уменьшает остаточное напряжение, но при этом несколько уменьшается выключаемый ток. Близкое к оптимальному соотношение всех геометрических размеров приведено в Примере 1.