ТИРИСТОР С САМОЗАЩИТОЙ ОТ ПРОБОЯ

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями р- и n-типа электропроводности (тиристоров, симисторов, фототиристоров, фотосимисторов и др.) с интегрированными в полупроводниковую структуру прибора элементами самозащиты от пробоя.
+
Известна конструкция фототиристора (тиристора с оптическим управлением) с самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [1] (J. Dorn, U. Keller, F.-J. Neidernostheide, H.-J. Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp. 29-35) на основе полупроводниковой структуры (ПС), содержащей основную тиристорную структуру (ОТС), состоящую из четырех чередующихся слоев р- и n-типа электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, фоточувствительную область в центре ПС, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных вспомогательных тиристорных структур (ВТС), и локальную область искривления среднего (коллекторного) р-n-перехода в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования. Катодные металлические слои на поверхности n-эмиттеров ВТС образуют по их внешним границам общие омические контакты с р-базой ПС. Между второй и третьей ВТС находится кольцеобразный участок р-базы ПС (встроенный резистор) с определенным омическим сопротивлением, величина которого определяется уровнем легирования этого участка акцепторными примесями и его геометрическими параметрами.
В конструкции [1] не предусмотрено включение ПС электрическим током, и в ней отсутствует управляющий электрод.
+
+
Известна также конструкция силового тиристора с электрическим управлением и самозащитой от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения [2] (RU №2474925 C1, МПК: H01L 29/74, опубликовано 10.02.2013 г.) на основе ПС, содержащая ОТС, состоящую из четырех чередующихся слоев p-, n-, p- и n-типов электропроводности, сформированных между анодным и катодным металлическими слоями, локальную область искривления среднего (коллекторного) р-n-перехода в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных ВТС, катодные металлические слои на поверхности n-эмиттеров ВТС, образующие по их внешним границам общие омические контакты с р-базой ПС, кольцеобразный участок р-базы (встроенный резистор) с омическим сопротивлением определенной величины, расположенный между второй и третьей ВТС, кольцеобразный металлический слой на поверхности р-базы (управляющий электрод) между встроенным резистором и внешней по отношению к нему ВТС, к которому присоединен управляющий вывод. Включение ПС осуществляется электрическим током, подводимым к управляющему выводу. Интегрированные в ПС элементы самозащиты от пробоя (локальные области искривления коллекторного р-n-перехода, смежные с ними ВТС, встроенные резисторы) в конструкциях [1] и [2] полностью идентичны.
Первым недостатком технического решения [2] является то, что для размещения управляющего электрода в области расположения ВТС и элементов самозащиты от пробоя требуется резервирование дополнительного участка р-базы ПС в плане, что приводит к необходимости корректирования топологии ПС.
Следствием этого является:
- усложнение конструкции ПС:
- увеличение размеров области ПС, занимаемой ВТС, элементами самозащиты, управления и разделительными участками р-типа электропроводности;
- соответствующее уменьшение активной площади ВТС;
- отклонение от оптимума исходной топологии ПС.
Все это отрицательно сказывается на статических и динамических параметрах тиристора, функционировании элементов самозащиты от пробоя и, в конечном счете, на качестве и надежности прибора.
Вторым недостатком конструкции [2], непосредственно связанным с первым, является предельно малая ширина кольцеобразного металлизированного омического контакта (управляющего электрода) к р-базе ПС, критичная даже для верхней границы заявленного диапазона (0,5-1,5) мм. В силовых тиристорах прижимной конструкции при таких размерах управляющего электрода для надежного контакта с управляющим выводом очень сложно обеспечить следующие требования:
1) высокую точность совмещения контактных элементов в процессе сборки тиристора в корпус;
2) сохранение строго зафиксированного положения контактной части управляющего вывода на узком кольцеобразном слое металлизации р-базы (управляющем электроде).
Следствием этого является:
- усложнение конструкции тиристора (дополнительная арматура, прецизионные узлы, средства фиксации сборочных единиц и др.);
- усложнение технологического оборудования и операции сборки тиристора (специальная аппаратура, оснастка, строгий контроль процесса совмещения).
Эти факторы снижают стойкость тиристора к механическим ударам, вибрациям, отрицательно сказываются на надежности узла управления (высокая вероятность потери управления) и конструкции в целом, увеличивают стоимость прибора.
Технической задачей, положенной в основу предлагаемой полезной модели, является создание тиристорной структуры с самозащитой от пробоя, которая при размещении управляющего электрода позволит избежать следующих нежелательных факторов:
- корректирования топологии ПС из-за резервирования участка для дополнительного кольцеобразного металлического омического контакта к р-базе (управляющего электрода) ПС;
- использования в ПС элементов предельно малых размеров;
- усложнения конструкции тиристора в целом, а также технологического оборудования и операций сборки, требующихся для его изготовления.
Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения для создания тиристоров с электрическим управлением и интегрированными в ПС элементами самозащиты от пробоя при переключении по аноду вследствие перенапряжения является создание конструкции, которая не усложнена введением дополнительного кольцеобразного металлизированного омического контакта к р-базе ПС, что:
- повышает надежность узла управления и конструкции в целом за счет повышения стойкости к механическим воздействиям;
- не повышает стоимость прибора, так как не требует дополнительных материальных и технических затрат на его изготовление.
+
+
+
+
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в тиристоре с самозащитой от пробоя, выполненном на основе полупроводниковой структуры с чередующимися слоями p-, n-, p- и n-типа электропроводности, которая содержит основную и ряд вспомогательных тиристорных структур, сформированных между анодным и катодными металлическими слоями, и имеет эмиттерный анодный, коллекторный и эмиттерный катодный р-n-переходы, при этом коллекторный р-n-переход имеет в центре полупроводниковой структуры локальную область с уменьшенной глубиной залегания, которая окружена центрально-симметричными кольцеобразными областями n-типа электропроводности ряда вспомогательных тиристорных структур и охватывающей их областью n-типа электропроводности основной тиристорной структуры, причем катодные металлические слои на поверхностях n-эмиттеров вспомогательных тиристорных структур переходят через их внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, при этом катодный металлический слой вспомогательной тиристорной структуры, которая расположена перед вспомогательной тиристорной структурой с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления, снабжен управляющим выводом.
+
+
+
+
Обеспечение указанного выше технического результата достигается тем, что в многослойной ПС тиристора с самозащитой от пробоя, содержащей основную тиристорную структуру и ряд вспомогательных тиристорных структур, которые выполнены на основе четырех чередующихся слоев p-, n-, p- и n-типов электропроводности и сформированы между анодным и катодными металлическими слоями основной и ряда вспомогательных тиристорных структур с образованием эмиттерного анодного, коллекторного и эмиттерного катодного р-n-переходов, при этом коллекторный р-n-переход имеет локальную область искривления (с уменьшенной глубиной залегания) в центре ПС с пониженным напряжением лавинообразования, окруженную рядом центрально-симметричных кольцеобразных локальных областей n-эмиттеров вспомогательных тиристорных структур и охватывающей их областью n-эмиттера основной тиристорной структуры, причем катодные металлические слои на поверхностях локальных n-эмиттеров вспомогательных тиристорных структур образуют по внешним границам общие с р-базой ПС омические контакты за счет их перехода через внешние границы на поверхность слоя базы р-типа электропроводности, при этом предложено снабдить управляющим выводом катодный металлический слой вспомогательной тиристорной структуры, которая расположена ближе к центру ПС перед вспомогательной тиристорной структурой с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления, тем самым сообщить выбранному катодному слою одной из вспомогательных тиристорных структур функцию управляющего электрода для внешней по отношению к нему вспомогательной тиристорной структуры с требуемым значением неотпирающего постоянного тока управления.
GT
GD
GD
GT
GT
GT
GD
GD
GDn
Критерием выбора катодного металлического слоя в качестве управляющего электрода для присоединения управляющего вывода является отпирающий постоянный ток управления (I) внешней по отношению к нему ВТС. Этот ток должен быть больше неотпирающего постоянного тока управления (I), которым определяется помехозащищенность ПС тиристора. Чем меньше I, тем ниже защищенность прибора от электромагнитных помех. Известно, что в конструкциях ПС, подобных описанным в [1, 2], I ВТС возрастает по мере удаления ВТС от центра ПС тиристора. Это связано с увеличением периметра эмиттерного n+-р-перехода ВТС в месте выхода его на поверхность ПС и с соответствующим увеличением I для достижения плотности тока, необходимой для включения ПС, при этом значение отпирающего постоянного тока управления I должно, по крайней мере, превышать значение требуемого неотпирающего постоянного тока управления I. В результате для присоединения управляющего электрода выбирается тот элемент конструкции ПС (катодный металлический слой), за которым следует ВТС, удовлетворяющая требуемому значению I. При этом радиус Rn эмиттерного n+-р-перехода каждой ВТС в месте выхода его на поверхность ПС тиристора для каждой ВТС связан с соответствующим этой ВТС значением неотпирающего постоянного тока управления I соотношением:
,
GDn
GDn
где: j - плотность неотпирающего постоянного тока управления I.
Преимуществами, которыми обладает предлагаемое техническое решение в отличие от устройства-прототипа [2], являются:
- отсутствие в конструкции тиристора с электрическим управлением отдельного металлизированного омического контакта к р-базе ПС специально для присоединения к нему управляющего вывода;
- присоединение управляющего вывода к катодному металлическому слою на поверхности n+-эмиттера одной из ряда ВТС, образующему по внешней границе n+-эмиттера общий омический контакт с р-базой ПС.
Положительный эффект достигается за счет:
- упрощения конструкции ПС и тиристора в целом;
+
- использования для присоединения управляющего вывода имеющегося в конструкции ПС металлизированного омического контакта к р-базе, общего с контактом к n-эмиттеру каждой из ряда ВТС;
- возможности выбора общего металлического контакта к р-базе ПС и n+-эмиттеру одной из ВТС в качестве управляющего электрода из условия получения оптимального сочетания параметров цепи управления тиристора;
- естественного увеличения ширины общего металлического контакта;
- уменьшения площади части ПС, отведенной под ВТС, элементы управления, интегрированные элементы самозащиты от пробоя с разделяющими их участками р-базы;
- увеличения полезной площади ВТС;
- минимального отклонения от проектной топологии ПС.
Сопоставительный анализ предлагаемого тиристора с самозащитой от пробоя с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
На Фиг. схематически показан фрагмент ПС тиристора с самозащитой от пробоя предложенной конструкции.
1÷5
1÷5
1÷5
1
1÷5
2
3
+
Предлагаемый на фигуре вариант тиристора выполнен в виде четырехслойной тиристорной структуры на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности и содержит основную тиристорную структуру ОТС и пять вспомогательных тиристорных структур ВТС, где: слой эмиттера р-типа электропроводности - 1; слой базы n-типа электропроводности - 2; слой базы р-типа электропроводности - 3; слои эмиттеров n+-типа электропроводности - 4, 5, 6, 7 и 8 вспомогательных тиристорных структур BTC; слой эмиттера n-типа электропроводности - 9 основной тиристорной структуры ОТС; анодный металлический слой - 10; катодные металлические слои - 11, 12, 13, 14 и 15 вспомогательных тиристорных структур BTC; катодный металлический слой - 16 основной тиристорной структуры ОТС. Кроме того, устройство имеет: клемму анодного вывода - А; клемму катодного вывода - К; клемму управляющего вывода - У. Кроме того, указаны: j - эмиттерные катодные р-n+-переходы вспомогательных тиристорных структур BTC и основной тиристорной структуры ОТС; j - коллекторный р-n-переход тиристорной структуры; j - эмиттерный анодный р-n-переход тиристорной структуры.
3
Представленный вариант ПС не содержит встроенного резистора, что не сужает общности картины. Как показано на Фиг., управляющий вывод с клеммой У подсоединен к ВТС согласно сформулированному выше критерию. Ширина катодного металлического слоя 13 увеличена за счет более широкого n+-эмиттера 6 и без ущерба для топологии других элементов ПС.
3
Были изготовлены тиристоры предложенной конструкции на основе кремния диаметром 100 мм на напряжение переключения 4500-5000 В. Ширина кольцеобразного металлического слоя на поверхности n+-эмиттера ВТС, общего с омическим контактом к p-базе, составляет 3,5 мм. При ширине 0,5 мм кольцеобразного контакта управляющего вывода максимальное смещение относительно управляющего электрода без потери площади контакта равно ±1,5 мм. Из опыта серийного производства тиристоров с электрическим управлением известно, что минимальный диаметр управляющего электрода составляет 2-3 мм, что эквивалентно такой же ширине кольцеобразного металлического слоя управляющего электрода. При этом допустимое смещение оси управляющего вывода относительно оси ПС не должно превышать ±0.2 мм.
GT
GD
Измеренные значения отпирающих постоянных токов управления (I) тиристоров составляют 300-350 мА, неотпирающие постоянные токи управления (I) не менее 45 мА.
Предложенная конструкция тиристора с самозащитой от пробоя работает следующим образом.
4
4
5
5
1÷5
Тиристор включается током управления при подаче положительного смещения на управляющий вывод У относительно катода К. Анод А тиристора при этом должен находиться под положительным потенциалом относительно катода К. Процесс включения тиристора носит регенеративный характер. Это означает, что сначала ток управления включает ВТС. Ток ВТС является током управления ВТС. Анодный ток ВТС, в свою очередь, является током управления ОТС. После включения ОТС процесс включения ПС тиристора завершается. При этом все ВТС обесточиваются.
2
1
1
2
2
3
3
4
Переключение ПС по аноду в условиях перенапряжения (режим срабатывания механизма интегрированной самозащиты от пробоя) происходит следующим образом. При достижении прямого напряжения на ПС уровня лавинообразования в локальной области искривления коллекторного р-n-перехода j ток лавинного пробоя включает BTC. Анодный ток BTC является током управления ВТС. После включения ВТС ее анодный ток включает ВТС. Анодный ток ВТС является током управления ВТС. Последующие этапы включения аналогичны описанным выше при включении ПС током управления.
Предложенная конструкция может быть использована при проектировании и производстве высоковольтных мощных тиристоров с самозащитой от пробоя для применения в современных высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередачи, компенсаторах реактивной мощности, на транспорте и др.