КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
SHORT-CIRCUITED SEMICONDUCTOR ELEMENT AND METHOD OF ITS OPERATION

Данное изобретение относится к короткозамкнутому полупроводниковому элементу в соответствии с ограничительной частью формулы 1 и со способом функционирования такого короткозамкнутого полупроводникового элемента.
Вследствие определенных случаев отказов или инцидентов, все элементы и, в частности, силовые полупроводниковые приборы в, например, системах преобразования могут быть разрушены посредством чрезмерных тока закорачивания и тока перегрузки, которые могут составлять вплоть до нескольких 100 кА. Применение различных защитных устройств для надежного предотвращения разрушения элементов в системах, в особенности полупроводниковых элементов, известно.
В случае, когда происходит повреждение, определенное, постоянное соединение с низким сопротивлением (короткое замыкание) может быть образовано, например, посредством аварийного переключателя в форме узла закорачивания. В этом случае, защитное устройство может быть запущено однократно, и, приведенное в действие посредством электрического или оптического сигнала запуска, остается постоянно закороченным.
В современных видах применения передачи энергии и электрических приводах большой мощности также требуются закорачиваемые индивидуальные, последовательно соединенные субмодули в случаях повреждения, для того, чтобы обеспечивать дальнейшее функционирование систем. Закорачивание этих субмодулей также служит для защиты применяемого оборудования от разрушения, и поэтому по существу предназначено для защиты этого вида применения.
Например, закорачивающие устройства и быстродействующие заземляющие устройства в устройствах с высоким и со средним напряжением являются альтернативным видом применения. В настоящее время, такие устройства реализованы в качестве механических, пружинно-поршневых переключателей. Например, они служат для предотвращения установки от перегрузки/разрушения посредством дугового повреждения вследствие вызывания быстрого прямого закорачивания или быстрого заземления. Между прочим, высоковольтные плавкие предохранители с большой отключающей способностью (Высоковольтные предохранители большой разрывной мощности, HH-Предохранители) могут соответственно приводить к плавлению и короткому замыканию, чтобы быть с большой вероятностью отключенными в случае перегрузки установки, в которой предохранители не будут реагировать надежным образом (например, вследствие более удаленного дугового замыкания).
Обычно, механические переключатели, имеющие время переключения (от открытого состояния до закрытого состояния) примерно от 1 мс до 10 мс, применяют для закорачивания. Поскольку субмодули являются закорачиваемыми лишь в случае повреждения, переключатели предполагаются быть примененными предпочтительно нерегулярным образом (например, одно действие переключения в 10 лет). Поэтому, механические переключатели являются проблематичными в отношении надежного действия переключения после длительного периода неприменения. Вследствие подвижных частей в механическом переключателе, и если применяют консистентную смазку и масло, надежное действие переключения уже не может быть гарантировано после соответствующего длительного (неактивного) периода.
Например, DE 103 23 220 B4 раскрывает цепь короткого замыкания для частично поврежденного преобразователя, в которой, в случае повреждения, электронный полупроводниковый элемент поглощает ток закорачивания или активируется в зависимости от такого тока закорачивания и является затем постоянно закороченным. Активный полупроводниковый переключатель, который, в частности, может быть сконфигурирован как обычный тиристор, предложен в качестве электронного полупроводникового элемента. В случае повреждения он приводится в действие, после чего ток закорачивания, протекающий через тиристор, вызывает локальный перегрев полупроводникового материала, что разрушает тиристор с коротким замыканием. Это затем образует постоянное короткое замыкание. Контактирование этого тиристора с коротким замыканием спроектировано, чтобы он являлся устойчивым к короткому замыканию таким образом, что электрическая дуга не может образовываться в нем вследствие длительного протекания тока закорачивания. Кроме того, помимо прочего, контактирование под давлением предложено для этой цели.
DE 103 33 798 A1 также описывает способ закорачивания частично поврежденного преобразователя, в котором токоподводящие силовые полупроводниковые переключатели IGBT (IGBT: Биполярный транзистор с изолированным затвором) включены на короткое время, в случае повреждения, таким образом, что они замкнуты постоянно. Для того, чтобы обеспечивать полупроводниковые переключатели, являющиеся короткозамкнутыми надежным образом, предложено увеличение напряжения затвор-эмиттер силовых полупроводниковых переключателей IGBT. Обычно, силовые полупроводниковые переключатели IGBT имеют МОП-управляемую зону, где проводящий канал между источником IGBT и стоком IGBT или эмиттером IGBT и коллектором IGBT, который вызывает включенное состояние IGBT, образован посредством небольшого напряжения, приложенного к затвору IGBT. Однако, соединения IGBT «затвор» и «эмиттер» являются всегда электрически изолированными один от другого посредством изолятора (оксидного слоя), что делает возможным «чрезвычайное» повышение напряжения затвор-эмиттер в первую очередь. Если более высокое напряжение, значительно превышающее обычное эксплуатационное значение, прикладывают к электроду затвора, это приводит к выходу из строя, что допускает инициирование короткого замыкания IGBT.
Также, EP 3 001 525 A1 раскрывает переключатель закорачивания с полупроводниковым переключателем, который может быть отрегулирован для того, чтобы закорачивать напряжение, присутствующее между двумя проводниками. Полупроводниковый переключатель является обычным тиристором с пластмассовым плоским корпусом с плоскими контактными электродами на контактных сторонах, расположенных одна напротив другой. Когда полупроводниковый элемент установлен, его контактные электроды контактируют посредством плоского соединения электродов, которые поджаты пружиной совместно один с другим при высокой жесткости. Таким образом, плоское контактирование полупроводникового элемента обеспечено посредством высокого протекания токов промышленной частоты даже при высоком термическом напряжении. Тиристор расположен в механической структуре с пластмассовым плоским корпусом, образующим защитное покрытие, охватывающее тиристор. Тиристор спроектирован таким образом, что, в качестве контролируемого полупроводникового переключателя, он является безвозвратно разрушенным посредством тока закорачивания, протекающего через него во время закорачивания, при поддержании проводимости между его контактными электродами. Ток закорачивания должен превышать по меньшей мере в 50 раз номинальный ток, для которого тиристор спроектирован.
Применение обычного тиристора в качестве переключателя закорачивания является неблагоприятным в том, что это не гарантирует, при котором токе тиристор является разрушенным и образует определенное короткое замыкание, поскольку величина импульса тока для обычного тиристора варьируется в значительной степени в направлении увеличения.
Реализация состояния «короткое при неудаче» посредством целевого замыкания, как описано выше, может быть надежным образом обеспечено посредством подходящей конфигурации модуля, такой как контактирование под давлением, например. В этом случае, полупроводниковый элемент расположен в подходящем корпусе, например, керамической ячейке или керамической капсуле, где внешние токовые контакты, обычно катодное и анодное соединения, состоят из толстых медных штампов (или из других проводящих материалов). Подходящее давление соединения обеспечивает, что два контактных штампа контактируют с достаточно высоким давлением по отношению к соответствующим металлическим контактным электродам полупроводникового элемента для того, чтобы образовать особенно низкоуровневый электрический и тепловой перенос между полупроводниковым элементом и медными штампами корпуса. Если место замыкания расположено в пределах области прижимного контакта, площадь разрушения полупроводникового элемента остается в пределах поверхности прижимного контакта, как во время случая повреждения, в котором в котором происходит плавление и короткое замыкание, так и во время неизменяемого токового потока после случая повреждения. Внешним образом, корпус не поврежден или поврежден лишь до небольшой степени; преобразование энергии во время и после случая повреждения имеет место внутри полупроводникового элемента и при этом остается ограниченным областью контактирования под давлением. Данное место является таким, что электрическое соединение в элементе не прерывается в случае повреждения, как это может быть в случае элемента с паяным соединением, в котором ток протекает через соединительные проволочные выводы. Здесь, гальваническая развязка соединений в элементе происходит при высоких токах, вследствие плавления соединительных проволочных выводов или паяных соединений. Вследствие очень высокой энергии, это неизбежно приводит к полному разрушению всего полупроводникового элемента в случае повреждения, что также создает высокий уровень опасности для установки вблизи данного элемента. Соединительные проволочные выводы являются сравнительно уязвимыми внутри корпуса, окружающего полупроводниковый элемент и часто также встроены в гель, который является причиной для разрывного разрушения вследствие электрической дуги между разъединенными соединительными проволочными выводами. В противоположность этому, в случае элемента с контактированием под давлением, преобразование энергии в кремнии или области плавления или электрическая дуга ограничены в пределах области, контактирующей с контактными дисками со стороны анода и стороны катода, так что воспламенение или разрушение в непосредственной близости от данного элемента в значительной степени устранена даже при наиболее высоких плотностях тока.
2
Если обычный тиристор подвергают нагрузке при его предельном токе перегрузки, он частично или полностью теряет свою способность к блокированию на короткий период времени, т.е. обратимым образом, вследствие значительного крупномасштабного нагревания его катодной поверхности, до тех пор, пока температура блокирующего слоя не возвратится назад к интервалу, допустимому для непрерывного функционирования. Допустимая плотность тока перегрузки при максимальном токе одиночного импульса 10 мс, которая еще не приводит к необратимому разрушению, обычно находится между 1,0 и 1,5 кА/см. Если этот предел превышен до значительной степени, нагревание приводит к расплавленным частям (замыканию) в катодной поверхности, тиристор разрушен и безвозвратным образом теряет свою способность к блокированию или функции управления. Поскольку расплавленные части расположены в пределах области, контактирующей и прижатой медными контактными дисками или медными штампами капсулы, и, в то же самое время, в достаточной мере удалены от краевой области тиристора, как капсула, так и непосредственное прилегание остаются почти совершенно нетронутыми.
Тем не менее, основным недостатком обычного тиристора в качестве короткозамкнутого устройства, как описано в DE 10 2008 049 678 A1 или DE 10 2009 045 216 A1, является его большая катодная поверхность, которая спроектирована для такой малой проводимости или таких малых потерь в пропускном направлении, насколько это возможно, или для максимальной способности к ударному току. Ее диаметр примерно соответствует поверхности контактных дисков медных штампов или является регулярным образом несколько большим (вплоть от примерно 0,5 до 2 мм). Если высокий ток закорачивания приводит к намеренному замыканию в катодной поверхности, это не обеспечивает то, что происходит значительное удаление от краевой области тиристора. Радиально внешняя область данного элемента, которая не покрыта или не прижата к нему посредством контактных дисков, например, медными штампами, которая обычно контактирует под давлением с контактными электродами (в особенности посредством катодных и анодных соединений) полупроводникового элемента, может рассматриваться как краевая область. Закороченная область расположена в каком-либо местевнутри катодной поверхности и может быть также вытянута в краевую область. В этом случае, разрушение керамического корпуса и удаление плазмы может происходить. Плазма может также удаляться в центре полупроводникового элемента, например, если электрод затвора или структура вспомогательного тиристора (увеличенная структура затвора), которая также не покрыты или прижаты к противной стороне посредством контактных дисков медных штампов, контактирующих под давлением с полупроводниковым элементом, расположены в центре полупроводникового элемента.
По сравнению с расположением поверхности, непосредственно контактирующей с медными контактными дисками или покрытой ими, краевая область тиристора является также гораздо более восприимчивой к возникновению перенапряжений. Такое повреждение, в сочетании с током закорачивания, который протекает в этом случае, приводит к разрушению капсулы вследствие очень высокой плотности энергии, в особенности при высоком блокирующем напряжении, как было уже описано выше. Хотя способность к противостоянию таким перенапряжениям может быть улучшена значительным образом посредством различных мер, это влечет за собой серьезные затруднения. Например, исходная кремниевая пластина, которая является гораздо более толстой, значительно бы увеличивала способность к блокированию, и соответственно, возможность повреждения на крае, вызванное перенапряжением, может быть в значительной степени избегнуто. Однако, вследствие того, что динамические потери и потери в пропускном направлении в обычной структуре тиристора являются слишком высокими в этом случае, это не является жизнеспособным вариантом, поскольку тиристор затем больше не в состоянии удовлетворять требованиям, возложенным на него, главным образом очень низким потерям в пропускном направлении и поведению при максимальном ударном токе, а также очень низким динамическим потерям.
R
D
Например, если тиристор выходит из строя, когда приложено блокирующее напряжение U, например, вследствие перенапряжения или неустойчивости блокирования пассивирования его краевого контура, место повреждения наиболее часто расположено в краевой области элемента тиристора, и, соответственно, вне области, непосредственно контактирующей с медными контактными дисками. Очень высокий ток закорачивания протекает в направлении блокирования, где невозмущенная область не принимает участие в токовом потоке, тогда как плавление происходит в месте повреждения. Электрическая дуга образована внутри корпуса капсулы или в месте повреждения, расплавленный материал испаряется и образуется горячая плазма, которая, в зависимости от интенсивности, может приводить к разрушению капсулы. Вследствие этого взрывного разряда, разрыв может происходить вблизи расплавленной части в керамической капсуле, от которой отделяется горячая плазма в этом случае. Такое повреждение края может также происходить, если приложено блокирующее напряжение U.
В свете вышеизложенного, данное изобретение основано на цели предоставления короткозамкнутого полупроводникового элемента, посредством которого электрическое напряжение, приложенное к полупроводниковому элементу, может быть надежным, безопасным и постоянным (при долговременной стабильности) короткозамкнутым в соответствии с сигналом запуска или сигналом включения, без плазмы, мгновенно выбрасываемой из полупроводникового элемента в процессе. Кроме того, потери при блокировании при режиме блокирования функционирования полупроводникового элемента предполагаются являющимися такими небольшими, что он может функционировать без активной системы охлаждения. Кроме того, способ функционирования короткозамкнутого полупроводникового элемента также предоставлен.
Его целью является предоставление короткозамкнутого полупроводникового элемента, имеющего особенности по пункту 1, и способ функционирования короткозамкнутого полупроводникового элемента, имеющего особенности по пункту 24. Другие особенно выгодные варианты осуществления данного изобретения раскрыты посредством зависимых пунктов формулы изобретения.
Следует заметить, что особенности, приведенные индивидуальным образом в последующем описании, могут быть объединены один с другим любым технологическим образом и представляют другие варианты осуществления данного изобретения. Данное описание, в частности, совместно с фигурами, дополнительно характеризует и определяет данное описание, в частности, совместно с фигурами, дополнительно характеризует и определяет данное изобретение.
В соответствии с данным изобретением, короткозамкнутый полупроводниковый элемент содержит полупроводниковую подложку, в которой задняя базовая область первого типа проводимости, например, p-типа, внутренняя область второго типа проводимости, дополнительного к первому типу проводимости, например, n-типа, и передняя базовая область первого типа проводимости расположены последовательно в вертикальном направлении, начиная от задней стороны с центром задней стороны, определенным посредством ее геометрического центра тяжести, к передней стороне, которая противоположна задней стороне, с центром передней стороны, определенным посредством ее геометрического центра тяжести. Кроме того, задняя базовая область соединена электропроводным образом с задним электродом (металлизацией, например, алюминием) с шириной в боковом направлении заднего электрода, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который приложен к задней стороне. Передняя базовая область соединена электропроводным образом с передним электродом (металлизацией, например, алюминием) с шириной в боковом направлении переднего электрода, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который приложен к передней стороне. Кроме того, в соответствии с данным изобретением, по меньшей мере одна включающая структура на передней стороне встроена в базовую область на передней стороне и по меньшей мере частично покрыта передним электродом и/или по меньшей мере одна включающая структура на задней стороне встроена в базовую область на задней стороне и по меньшей мере частично покрыта задним электродом. В соответствии с данным изобретением, соответствующая включающая структура является эмиттерной структурой второго проводящего типа, например n-типа, который контактирует электропроводным образом с электродом, приложенным к базовой области, соответственно встроенным в нее, и который может быть включен посредством по меньшей мере одной триггерной структуры, которая, через полупроводниковую подложку, действует на нее посредством электричества и которая может быть активирована, в свою очередь, посредством электрического сигнала включения, приложенного к ней. Более того, триггерная структура сконфигурирована и расположена таким образом, что, в ее активированном состоянии, она инжектирует импульс электрического тока с предварительно заданной подводимой энергией, например примерно 2 Вт.с, в полупроводниковую подложку между триггерной структурой и включающей структурой на передней стороне и/или на задней стороне, который безвозвратным образом разрушает первый полупроводниковый переход, например, n-p переход, сформированный между соответствующей включающей структурой и базовой областью, встроенной в нее, и/или второй полупроводниковый переход, например, p-n переход, сформированный между этой базовой областью и внутренней областью.
Также следует заметить, что соединительный союз «и/или», применяемый далее в данном документе, который размещен между двумя признаками и связывает их один с другим, должен всегда интерпретироваться таким образом, что, в первом варианте осуществления объекта изобретения в соответствии с данным изобретением, лишь первая особенность может быть предоставлена, во втором варианте осуществления объекта изобретения в соответствии с данным изобретением, лишь вторая особенность может быть предоставлена, и в третьем варианте осуществления объекта изобретения в соответствии с данным изобретением, как первая, так и вторая, особенности могут быть обе предоставлены.
При этом, направление, которое является по существу перпендикулярным по отношению к направлению вертикального вытягивания полупроводниковой подложки, рассматривается как боковое или радиальное направление вытягивания в полупроводниковой подложке. Соответственно, в случае полупроводниковой подложки, сконфигурированной, например, в качестве цилиндра (с небольшой высотой), направление вертикального вытягивания соответствует направлению высоты цилиндра, и поперечное направление соответствует радиальному направлению цилиндра. При этом, термины боковой и радиальный применяют синонимичным образом.
Более того, следует заметить, что центр передней стороны и центр задней стороны короткозамкнутого полупроводникового элемента могут отличаться один от другого, что не является абсолютно необходимым, однако, и которые являются также такими в большинстве случаев. Обычно, два центра определяют ось симметрии полупроводниковой подложки, начиная от которой определяется радиус полупроводниковой подложки. Если центр указан в последующем в отношении элемента передней стороны короткозамкнутого полупроводникового элемента, тогда этот центр всегда понимается как являющийся центром передней стороны, если определенно не указано иное. Равным образом, соотношение между центральным элементом и элементом на задней стороне полупроводниковой подложки является аналогичным, что понимается как центр задней стороны, если определенно не указано иное.
Следует понимать, что структура с эмиттером, контактирующая электропроводным образом с передним электродом, является включающей структурой на передней стороне, в которой структура с эмиттером второго типа проводимости встроена в базовую область на передней стороне первого типа проводимости таким образом, что прилегает к передней стороне полупроводниковой подложки, таким образом, что она контактирует электропроводным образом по меньшей мере на некоторых участках посредством приложения переднего электрода к передней стороне полупроводниковой подложки. Это применяется с учетом необходимых изменений к структуре с эмиттером, контактирующей электропроводным образом с задним электродом, которая, соответственно, является включающей структурой на задней стороне, в которой структура с эмиттером второго типа проводимости встроена в базовую область на задней стороне первого типа проводимости таким образом, чтобы прилегать к задней стороне полупроводниковой подложки, таким образом, что она контактирует электропроводным образом по меньшей мере на некоторых участках посредством приложения заднего электрода к задней стороне полупроводниковой подложки. Структура с эмиттером в этом случае предпочтительно контактирует с соответствующим передним или задним электродом посредством непосредственного контакта между соответствующими элементами.
Боковая ширина общей структуры, например, включающей структуры или электрода, таким образом определена посредством дальности внутренней стороны, которая радиальным образом определяет границы общей структуры от наиболее отдаленной к внутренней стороне, от внешней стороны, которая радиальным образом определяет границы этой общей структуры, самые крайние по отношению к внешней стороне. Является очевидным для структур полупроводниковой подложки, которые расположены в стороне от их радиального центра (r = 0), т.е. геометрического центра тяжести или центральной точки передней и/или задней стороны полупроводниковой подложки. В частном случае, в котором общая структура не имеет расстояния от радиального центра, т.е. вытянута посредством ее радиальной внутренней стороны к радиальному центру, боковая ширина общей структуры соответствует расстоянию внешней стороны радиально разграничивающей общую структуру по отношению к внешней стороне от радиального центра. Другими словами, боковая ширина в этом случае соответствует радиусу (измеренному от радиального центра) общей структуры или также половине ее диаметра.
Таким образом, полупроводниковая подложка короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением (не принимая во внимание включающую структуру) имеет, между ее передним электродом или металлизацией на передней стороне и ее задним электродом или металлизацией на задней стороне, структуру p-n-p или n-p-n, которая блокирует элемент надежным образом и при долговременной стабильности в обоих направлениях или полярностях для электрического напряжения, присутствующего между передним электродом и задним электродом. Это состояние при этом относится к нормальному, незакороченному рабочему состоянию короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением.
Однако, слишком высокий ток, который может составлять вплоть до нескольких 100 кА, вызывает перегрузку в случае повреждения в электроустановке, защищенной короткозамкнутым полупроводниковым элементом в соответствии с данным изобретением, по меньшей мере первый полупроводниковый переход (например n-p переход), сформированный между включающей структурой и базовой областью, встроенной в нее, и/или второй полупроводниковый переход (например p-n переход), сформированный между этой базовой областью и внутренней областью, безвозвратным образом разрушены посредством предварительной активации триггерной структуры и импульса тока, затем генерированного этой триггерной структурой (что также называется в данном документе как предварительное разрушение). Таким образом, блокирующий эффект двух полупроводниковых переходов между включающей структурой, базовой областью и внутренней областью подавлен.
Если, непосредственно после предварительного разрушения, значительно высокий основной ток или ток нагрузки протекает между внешними металлическими соединениями полупроводникового элемента, т.е. между передним электродом и на задней стороне, это дополнительно увеличивает уровень разрушения, и высокая плотность тока вызывает постоянное, необратимое, низкоомное плавление или замыкание (постоянный ток закорачивания) между двумя электродами, контактирующими с полупроводниковой подложкой. Уровень или размер этого замыкания в конечном счете зависит от плотности тока или тока сети между передней и задней стороной электродов. После этого, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением больше не способен к блокированию. Это состояние при этом относится к закороченному рабочему состоянию или короткозамкнутому состоянию короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением.
Активирование триггерной структуры вследствие подачи предопределенного включающего сигнала к полупроводниковой подложке или триггерной структуре приводит, целевым образом, к одноразовому образованию постоянного, необратимого, электропроводного, соединения с низким сопротивлением между передним электродом и задним электродом, т.е. в виде короткое замыкания.
В данном способе, постоянное короткое замыкание образуется после предварительного разрушения по меньшей мере одного из двух полупроводниковых переходов, посредством специального направления тока закорачивания на локально ограниченную поверхность в элементе, таким образом, что результатом является последующее плавление в токоподводящей области, вследствие высокой плотности тока. В этом процессе плавления, на который также делается ссылка как на замыкание, материалы внешних металлических соединений (например, алюминий, молибден и/или медь) и кремниевая полупроводниковая подложка сплавляются. После процесса плавления, формируется металлическая зона с высокой проводимостью, которая постоянно закорачивает внешние металлические соединения и также способна, в принципе, к поддержанию этой функции закорачивания при токовой нагрузке на протяжении более длительного периода времени, например, до следующего процесса ремонта.
По сравнению с запуском или включением включающей структуры, которая является, вначале, просто не разрушающейся, особое преимущество предварительного разрушения по данному изобретению триггерной структуры заключается в том, что предварительное разрушение может быть инициировано в моменте времени, который лишь подлежит быть закрытым для фактического повреждения. Последующий ток нагрузки для большого повреждения может затем проявляться в более поздний момент времени, который может быть на несколько миллисекунд после активирования триггерной структуры, например.
В противоположность этому, в случае включающей структуры, включенной «предварительно неразрушаемым образом» (обычным) образом посредством триггерной структуры, обычный триггерный импульс должен быть генерирован непосредственно или прямо перед током нагрузки для повреждения, в особенности в пределах интервал времени лишь нескольких микросекунд. Поскольку ток нагрузки для повреждения, который может иметь величину до сотен килоампер, может вызывать намеренное разрушение во включающей структуре и генерировать постоянный ток закорачивания в полупроводниковой структуре лишь до тех пор, пока обычный триггерный импульс, который ограничен несколькими десятками микросекунд вплоть до 100 мкс (в зависимости, например, от принципа работы генератора, генерирующего включающий сигнал), еще применен или активирован.
Таким образом, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением предоставляет значительно больший разброс во времени между генерацией включающего сигнала (предварительного разрушения) и полным замыканием полупроводниковой подложки, после этого вызванным током нагрузки для повреждения.
Кроме того, времена переключения, обычно составляющие примерно от 1 мс до 10 мс, уменьшены до менее чем 100 мкс посредством применения полупроводникового переключателя закорачивания в соответствии с данным изобретением. Вследствие того факта, что, в соответствии с данным изобретением, подвижные механические части не предоставлены в переключателе закорачивания, и что, дополнительно, времена переключения являются такими короткими, безопасность или надежность короткозамкнутого полупроводникового элемента улучшена значительным образом.
Как и в предыдущем случае, отмечается, что две схемы всегда предоставлены в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением:
1) Триггерная схема, вызывающее предварительное разрушение, и
2) Нагрузочная схема между внешними металлическими соединениями полупроводникового элемента, т.е. между передним электродом и на задней стороне.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения, также описан способ функционирования короткозамкнутого полупроводникового элемента, который имеет особенности данного изобретения, описанные в данном документе. В частности, в отношении относящихся к способу определений терминов и отличительных особенностей и преимуществ данного способа, полнота разъяснения предоставлена в данном документе посредством соответствующих определений, осуществлений и преимуществ в отношении устройства в соответствии с данным изобретением, которые также приложены. Это означает, что описания, содержащиеся в данном документе в отношении устройства в соответствии с данным изобретением, могут также быть использованы, с учетом необходимых изменений, для определения способа в соответствии с данным изобретением, если это не исключено в данном документе. Описания, содержащиеся в данном документе, относительно способа в соответствии с данным изобретением, могут быть применены равным образом, с учетом необходимых изменений, также для определения устройства в соответствии с данным изобретением, если это не исключено в данном документе. Таким образом, повторение пояснение признаков, которые основаны на одном и том же, их осуществлении и преимуществ в отношении устройства в соответствии с данным изобретением, раскрытым в данном документе, и способ в соответствии с данным изобретением, раскрытый в данном документе, в значительной степени опущен в данном документе с целью более компактного описания.
В способе функционирования короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, последний содержит полупроводниковую подложку, в которой задняя базовая область первого типа проводимости, внутренняя область второго типа проводимости, дополнительному к первому типу проводимости, и передняя базовая область первого типа проводимости расположены последовательно в вертикальном направлении, начиная от задней стороны с центром задней стороны, определенным посредством ее геометрического центра тяжести, к передней стороне, которая противоположна задней стороне, с центром передней стороны, определенным посредством ее геометрического центра тяжести, где задняя базовая область соединена электропроводным образом с задним электродом с шириной в боковом направлении заднего электрода, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который приложен к задней стороне, и передняя базовая область соединена электропроводным образом с передним электродом, при ширине бокового переднего электрода, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который приложен к задней стороне, где по меньшей мере одна включающая структура на передней стороне встроена в базовую область на передней стороне и по меньшей мере частично покрыта передним электродом и/или по меньшей мере одна включающая структура на задней стороне встроена в базовую область на задней стороне и по меньшей мере частично покрыта задним электродом, где соответствующая включающая структура является эмиттерной структурой второго проводящего типа, который контактирует электропроводным образом с электродом, приложенным к базовой области, соответственно встроенным в нее, и который может быть включен посредством по меньшей мере одной триггерьной структуры, которая, через полупроводниковую подложку, действует на нее посредством электричества, где триггерная структура может быть активирована, в свою очередь, посредством электрического сигнала включения, приложенного к ней.
В способе в соответствии с данным изобретением, посредством активирования триггерной структуры посредством включающего сигнала, импульс электрического тока с предварительно заданной подводимой энергией инжектируется в полупроводниковую подложку между триггерной структурой и включающей структурой на передней стороне и/или на задней стороне таким образом, что, посредством этого, первый полупроводниковый переход, сформированный между соответствующей включающей структурой и базовой областью, встроенной в нее, и/или второй полупроводниковый переход, сформированный между этой базовой областью и внутренней областью, безвозвратным образом разрушен.
В соответствии с выгодным вариантом осуществления данного изобретения, подвод энергии предварительно установлен в интервале между примерно 1 Вт.с до примерно 3 Вт.с, например 2 Вт.с. Таким образом, предварительное разрушение по меньшей мере одного из двух полупроводниковых переходов может быть с большой вероятностью обеспечено.
Термин «примерно», как использовано во взаимосвязи с раскрытым изобретением, определяет область допустимых значений, которую специалист, работающий в данной области техники, рассматривает как являющуюся общей. В частности, термин «примерно» следует понимать как означающий область допустимых значений соответствующей величины вплоть до максимума +/-20%, предпочтительно вплоть до максимума +/-10%.
В соответствии с другим выгодным вариантом осуществления данного изобретения, полупроводниковая подложка, в области, в которую инжектируется импульс тока, которая расположена между триггерной структурой и включающей структурой на передней стороне и/или на задней стороне, имеет сопротивление (более чем 0 Ом) самое большее примерно 10 Ом, предпочтительно 5 Ом самое большее, или даже менее, в радиальном направлении. Это означает, что сравнительно электропроводное соединение существует между триггерной структурой и включающей структурой, так что, соответственно, невозможно вводить высокое напряжение между триггерной структурой и включающей структурой. Поэтому, энергия, вводимая в полупроводниковую подложку, в данном случае зависит от заряда, предоставленного триггерной структурой, и величины импульса тока, связанного с этим, который протекает между активированной триггерной структурой на одной стороне и соответствующей включающей структурой на другой. Этот заряд или интенсивность импульса тока, однако, может быть установлена и отрегулирована в высокой степени хорошей, как пояснено в данном документе.
Другой выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что включающая структура на передней стороне имеет боковую включающую структуру на передней стороне с шириной, определенной посредством ее протяжения в боковом направлении, и включающая структура на задней стороне имеет боковую включающую структуру на задней стороне с шириной, определенной посредством ее протяжения в боковом направлении, где отношение ширины боковой включающей структуры к ширине соответствующего бокового электрода, контактирующего с соответствующей включающей структурой, составляет менее чем 1, предпочтительно менее чем 4/5, более предпочтительно менее чем 3/4, еще более предпочтительно менее чем 2/3 и, более того, предпочтительно менее чем 1/2.
Включающая структура с определенной шириной боковой включающей структуры, которая сформирована в качестве эмиттерной структуры, является выгодной в том, что плазма тока может распространяться через поверхность эмиттерной структуры перед началом замыкания, с тем результатом, что замыкание имеет увеличенную боковую ширину и таким образом большее поперечное сечение в целом. Поперечное сечение с увеличенной проводимостью закороченной площади в полупроводниковой подложке, полученной таким образом, выгодным образом вызывает уменьшение электрического сопротивления области короткого замыкания в полупроводниковой подложке, образованной посредством замыкания. Соответственно, область короткого замыкания способна к переносу более высоких токов закорачивания при более низких потерях на электропроводность. Выгодным образом, активная охлаждающая система полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением может не применяться.
Когда принимается во внимание отношение между шириной боковой включающей структурой и шириной соответствующего бокового электрода, тогда, в соответствии с данным изобретением, ширина боковой включающей структуры на передней стороне включающей структуры, при условии, что она присутствует в полупроводниковой подложке, всегда сравнима с шириной бокового электрода, переднего электрода, и ширина боковой включающей структуры, включающей структуры на задней стороне, при условии, что она присутствует в полупроводниковой подложке, всегда сравнима с шириной бокового электрода, заднего электрода. Соответственно, ссылка сделана в данном документе на объединение включающей структуры на передней стороне с передним электродом и на объединение включающей структуры на задней стороне с задним электродом.
Как уже было разъяснено выше, постоянное короткое замыкание образовано локально ограниченной поверхности в полупроводниковом элементе, которая в данном случае может быть определена в основном посредством соответствующего отношения ширины боковой включающей структуры на передней стороне к ширине бокового переднего электрода (если включающая структура на передней стороне присутствует в полупроводниковой подложке) или ширины боковой включающей структуры на задней стороне к ширине бокового заднего электрода (если включающая структура на задней стороне присутствует в полупроводниковой подложке), так что при этом, последующее плавление (замыкание) является результатом в токоподводящей области, вследствие высокой плотности тока. В этом процессе плавления, материалы внешних металлических соединений (например, алюминий, молибден и/или медь) и кремниевая полупроводниковая подложка сплавляются. После процесса плавления, формируется металлическая зона с высокой проводимостью, которая постоянно закорачивает внешние металлические соединения и также способна, в принципе, к поддержанию этой функции закорачивания при токовой нагрузке на протяжении более длительного периода времени, например, до следующего процесса ремонта.
По сравнению с обычным тиристором, в котором отношение ширины боковой включающей структуры к ширине бокового электрода составляет в основном 1 для обеспечения возможности реализации максимального ударного тока и минимальных потерь на электропроводность, токоподводящая способность включающей структуры на передней и/или на задней стороне в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением, вследствие отношения менее чем 1, соответственно определенного в данном документе, ограничена таким определенным образом, что предварительное разрушение короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с большой вероятностью результирует в его последующем полном замыкании. После замыкания, короткозамкнутый полупроводниковый элемент находится в постоянном, нереверсируемом, низкоомном токоподводящем состоянии между передним электродом и на задней стороне, так что электрическое напряжение, присутствующее между этими двумя электродами, может быть закороченным постоянно и при долговременно стабильности. Другими словами, перепад напряжения между передним электродом и на задней стороне короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением в случае короткого замыкания является таким низким (низкоомное токоподводящее состояние), что электрические потери в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением являются низкими даже в случае более продолжительной операции закорачивания тока, и поэтому, активная охлаждающая система может выгодным образом не применяться.
В смысле данного изобретения, условие «менее чем 1» должно всегда быть интерпретировано таким образом, что связанные с производством отклонения от заданного размера между соответствующей шириной боковой включающей структуры и шириной бокового электрода, электрода, соответствующим образом связанного с участвующей включающей структурой, которые находятся в пределах производственных допусков, определенных для соответствующего производственного процесса короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, не подпадают под условие «менее чем 1», использованное в данном документе. Другими словами, в соответствии с определением, отношение ширины боковой включающей структуры к ширине бокового электрода соответствующего электрода рассматривается как являющееся «менее чем 1» в смысле данного изобретения лишь если размер двух сравниваемых боковых ширин различается до такой степени, что это различие в размере не может быть с большой вероятностью приписано связанным с производством отклонениям соответствующих свойств, а является результатом целевых действий.
Было найдено, что, посредством заданной вертикальной толщины внутренней полупроводниковой области полупроводниковой подложки, ток плавления является по существу пропорциональным поверхности включающей структуры на передней стороне и/или на задней стороне и может таким образом быть установлен. Кроме того, ширина боковой включающей структуры соответствующей включающей структуры, которая является (значительным образом) меньшей по сравнению с шириной бокового электрода соответствующего электрода, делает возможным локальное ограничение замыкания в короткозамкнутом полупроводниковом элементе таким образом, что протяженность замыкания в боковом или радиальном направлении может быть ограничена в основном поверхностью включающих структур на передней и/или на задней стороне. Таким образом, область замыкания может поддерживаться значительно отдаленной в любом случае от радиально внешней краевой области короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением. Соответственно, замыкание имеет место исключительно во внутренней области короткозамкнутого полупроводникового элемента, покрытого передним электродом и на задней стороне, так что, во время операции закорачивания тока, механическое разрушение короткозамкнутого полупроводникового элемента в его краевой области не происходит, что может приводить к выбросу плазмы из короткозамкнутого полупроводникового элемента и таким образом, к разрушению корпуса, который может возможно окружать короткозамкнутый полупроводниковый элемент.
Можно также отметить здесь, что для любой обследуемой точки короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, должно применяться такое отношение ширины боковой включающей структуры на передней стороне к ширине бокового переднего электрода, которое составляет менее чем 1, или, что отношение ширины боковой включающей структуры на задней стороне к ширине бокового заднего электрода составляет менее чем 1. Если короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением сконфигурирован, например, в качестве цилиндра с в полной мере осесимметричной конфигурацией включающей структуры на передней стороне и/или на задней стороне и соответствующим электродом (на передней стороне и/или на задней стороне), тогда определение вышеуказанного отношения в одной произвольно выбранной точке на короткозамкнутом полупроводниковом элементе непосредственно применяют также ко всем другим точкам на короткозамкнутом полупроводниковом элементе. Однако, если ширина боковой включающей структуры и/или ширина бокового электрода, в цилиндрическом короткозамкнутом полупроводниковом элементе выбрана в качестве примера, изменения, зависящие от позиции, обследуемой вдоль периферии короткозамкнутого полупроводникового элемента, т.е. короткозамкнутый полупроводниковый элемент не сконфигурирован осесимметричным образом по отношению к обследуемой включающей структуре и/или электроду, связанному с ней, тогда отношение ширины боковой включающей структуры к ширине бокового электрода может также изменяться в зависимости от обследуемой периферийной позиции. Однако, в соответствии с вышеуказанным определением, в смысле данного изобретения, оно составляет менее чем 1 при любой обследуемой точке на короткозамкнутом полупроводниковом элементе.
Кроме того, следует понимать, что в смысле данного изобретения, в случае, в котором включающая структура в основном не имеет постоянной ширины включающей структуры в радиальном направлении, наибольшая ширина включающей структуры, имеющая место в радиальном направлении, рассматривается как ширина включающей структуры, применяемая для сравнения при рассмотрении отношения между шириной включающей структуры и шириной электрода, электрода, соответственно связанного с включающей структурой.
В особенности предпочтительно, отношение ширины боковой включающей структуры к ширине бокового переднего электрода или заднего электрода, соответственно связанных, в каждом случае, включающем структуру на передней стороне или на задней стороне, выбирают как составляющее менее чем 4/5, например, также менее чем 3/4, 2/3, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5. В короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением, ширина боковой включающей структуры включающей структурой на передней стороне или на задней стороне выбирают таким образом, чтобы она была гораздо меньше, чем ширина бокового электрода соответствующего электрода. Таким образом, ток плавления, надежным образом приводящий к замыканию короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, может быть установлен до величины, которая является такой малой, насколько это желательно. Таким образом обеспечено то, что сравнительно небольшое повреждение или ток закорачивания, переносимый короткозамкнутым полупроводниковым элементом в соответствии с данным изобретением между передним электродом и задним электродом с большой вероятностью закорачивает элемент желательным образом и, соответственно, устанавливает нереверсируемое, низкоомное токоподводящее состояние (закороченное рабочее состояние).
Другой выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что включающая структура является полностью покрытой передним электродом и задним электродом, что следует понимать как означающее покрытие в боковом (радиальном) направлении. Полное покрытие передней стороны и задней стороны по меньшей мере одной включающей структуры предоставляет то преимущество, что возможность выброса плазмы из полупроводниковой подложки вследствие замыкания уменьшено еще более, поскольку замыкание в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением может быть в основном локально ограничено таким образом, что это происходит в области, покрытой обоими электродами, как уже было разъяснено выше. В результате, разрушение корпуса, возможно окружающего короткозамкнутый полупроводниковый элемент, во время замыкания надежным образом предотвращено, поскольку выброс плазмы из короткозамкнутого полупроводникового элемента предотвращен таким образом. Предпочтительно, покрытие соответствующей включающей структуры посредством переднего электрода или заднего электрода в радиальной внешней краевой области (т.е. в направлении к радиальному внешнему краю короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением) может находиться в интервале по меньшей мере несколько миллиметров, например, примерно от 1 мм до 5 мм или более.
Кроме того, по меньшей мере одна включающая структура может быть предпочтительно расположена вблизи центра в полупроводниковой подложке. Это следует понимать как означающее то, что радиальное расстояние внутренней стороны, которая радиальным образом определяет границы включающей структуры, наиболее удаленных в радиальном направлении по отношению к внутренней стороне, от соответствующего центра полупроводниковой подложки, т.е. геометрического центра тяжести или центральной точки передней и/или задней стороны полупроводниковой подложки (здесь также относится к радиальному центру), является меньше, чем расстояние от внешней стороны, которая радиальным образом определяет границы включающей структуры, являющиеся самыми крайними по отношению к внешней стороне, по отношению к радиальному внешнему краю полупроводниковой подложки. Это измерение в основном также дополнительно уменьшает возможность выброса плазмы во время замыкания короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением в краевой области полупроводниковой подложки, поскольку замыкание ограничено областью полупроводниковой подложки, близкой к центру между передним электродом и на задней стороне, которая покрыта этими электродами. Разрушение корпуса, окружающего короткозамкнутый полупроводниковый элемент, вследствие замыкания, соответственно, надежным образом предотвращено.
Другой выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что передний электрод и задний электрод покрывают центр передней стороны или задней стороны, соответственно, полупроводниковой подложки, и включающая структура расположена в этом центре. Расстояние внешней стороны, радиально внешним образом ограничивающей включающую структуру от радиального внешнего края полупроводниковой подложки, может таким образом быть максимизировано, и, соответственно, краевая область полупроводниковой подложки и, кроме того, область между радиальной внешней стороной включающей структуры и радиальным внешним краем полупроводниковой подложки, в зависимости от выбранной ширины бокового переднего электрода и заднего электрода, которая, в соответствии с данным изобретением, всегда больше, чем ширина боковой включающей структуры, может быть надежным образом защищена, посредством покрытия на передней стороне и на задней стороне полупроводникового элемента, в отношении нежелательного выброса плазмы вследствие замыкания короткозамкнутого полупроводникового элемента.
Другой выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что электроизолирующий изоляционный слой расположен между включающей структурой и электродом, контактирующим с ней электропроводным образом, где изоляционный слой вытянут в радиальном направлении через эту включающую структуру и вытянут в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки вдоль, в радиальном направлении внутрь, внутреннего края этого электрода.
Следует понимать, что изоляционный слой, в отношении его поверхности, не имеет такого большого протяжения, чтобы предоставлять полную электрическую изоляцию электрода от включающей структуры и базовой области, встроенной во включающую структуру. Вернее, по меньшей мере одна область между электродом и включающей структурой, а также базовая область, остается свободной от изоляционного слоя, так что электропроводное соединение между электродом и включающей структурой, а также базовой областью сохраняется.
Изоляционный слой может предпочтительно иметь толщину по меньшей мере 10 нм до самое большее 100 нм, более предпочтительно от по меньшей мере 50 нм до самое большее 100 нм.
Изоляционный слой может предпочтительно являться слоем из диоксида кремния.
Кроме того, изоляционный слой в соответствии с другим выгодным вариантом осуществления данного изобретения может иметь отверстия, расположенные отдельно друг от друга в радиальном направлении, что устанавливает непосредственное электропроводное соединение между электродом и базовой областью, граничащей с ним.
В соответствии с еще одним выгодным вариантом осуществлении данного изобретения, триггерная структура является затвором электрода, и включающий сигнал является импульсом тока, инжектированным триггерной структурой в полупроводниковую подложку.
Типичная конфигурация затвора включает пружинную проволоку затвора, контактирующую с затвором электрода с внешней стороны. Посредством ее характеристического натяжения, пружинная проволока затвора прижимается сама по себе к соединению затвора полупроводниковой подложки.
Можно предположить, что, вместо этой конфигурации пружинного затвора, может также быть применена другая форма, которая устанавливает более планарный подвод между подающей проволокой затвора и контактом затвора, например, для того, чтобы поддерживать сопротивление контактного подвода таким низким, насколько это возможно.
Сопротивление подвода или контакта по отношению к затвору электрода является критическим, в особенности по отношению к импульсам тока в интервале вплоть до нескольких сотен ампер, если не килоампер, которые являются очень высокими по сравнению с обычным током затвора (в интервале 10 А). Контактное сопротивление по отношению к кремнию должно поддерживаться небольшим и стабильным посредством подходящей конфигурации. Подходящие контактные материалы или поверхностные покрытия должны быть выбраны для этой цели. Например, эти поверхности не должны подвергаться коррозии.
Контактные усилия также должны быть отрегулированы с повышенной точностью для того, чтобы избегать слишком высокого сопротивления подвода при этих сильных импульсах тока.
Если это не выполнено, это может иметь следствием повреждение непосредственно при передаче подающей проволокой затвора в металлический затвор (опасность выброса плазмы, поскольку эта область не находится в спрессованной зоне).
Для того, чтобы обеспечивать долговременную стабильность низкоомного контактного подвода, поверхностные покрытия в области подвода подающей проволоки затвора к металлическому затвору на полупроводниковой поверхности являются возможным вариантом. Подходящими долговременно стабильными материалами или материалами для покрытия, в особенности материалами для коррозионностойкого покрытия поверхности, для покрытия подающей проволоки затвора, являются, например, рутений или родий, если покрытие никелем является недостаточным. Другие улучшения возможны при применении покрытий из благородных металлов, таких как Au. Таким образом, не только проволока затвора может быть покрыта, но также и металлическая поверхность контакта затвора полупроводника. Промоторы адгезии, такие как титан, могут быть применены дополнительно для того, чтобы улучшить адгезию.
Может также являться полезным, если (затвор) металлизация полупроводника предоставлена в виде в особенности толстого (пластичного) слоя серебра, который способствует уменьшению контактного сопротивления по отношению к обычно жесткому или более жесткому подающему проволочному затвору (также вследствие пружинящего действия). Другими словами, затвор электрода, предпочтительно на его вертикальной внешней стороне металлического контакта, может быть покрыт таким слоем серебра, который является сравнительно толстым, на одной стороне, и, с другой стороны, является значительным образом более мягким, чем внешний затвор электрода, контактирующей с проволокой (пружинной проволокой), контактирующей со слоем серебра.
Поскольку эти меры могут быть дорогостоящими, целью должна быть простая контактная система, насколько это возможно, т.е. без любых дополнительных усложненных покрытий. Это все может быть простым образом реализовано более низкой амплитудой тока для тока разряда/ударного тока. Более того, измерения, описанные ниже (например, небольшой диаметр, небольшое расстояние между затвором и включающей структурой/электродом и небольшая периферия включающей структуры), имеют результатом возможность создания необходимого тока разряда/ударного тока, и таким образом также в отношении подводимой энергия, являющейся такой малой, насколько это возможно.
Еще один выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет конденсатор с емкостью, предварительно заданной в соответствии с предварительно заданной подводимой энергией, который предоставляет включающий сигнал в заряженном состоянии, где конденсатор может быть электрически соединен между электродом затвора и передним электродом и/или задним электродом посредством электронного переключателя.
Например, конденсатор может быть заряжен посредством специальной переключающей сборки, таким образом, что энергия конденсатора поступает от нагрузочной схемы, присутствующей на полупроводниковом элементе. В качестве альтернативы, конденсатор может также быть заряжен посредством электронной аппаратуры управления затвором, или конденсатор может также быть расположен на первичной стороне триггерного преобразователя.
В случае обычных структур тиристора, диаметр центра затвора, т.е. от середины (центра) полупроводникового элемента к началу катодного эмиттера (передней стороны включающей структуры), находится в интервале от 10 мм до 20 мм, типично, возможно при 15 мм в случае тиристоров большего размера с диаметром элемента > 3 дюйма (7,62 см). Вследствие этой пространственной протяженности, энергия разряда, и таким образом также плотность энергии, должна быть выбрана таким образом, чтобы являться достаточно большой, для того, чтобы быть в состоянии генерировать надежное предварительное разрушение.
2
2
С другой стороны, однако, деструктивная энергия, сохраненная конденсатором, не может быть выбрана таким образом, чтобы иметь любую величину. Энергия, сохраненная в конденсаторе, составляет (C×U)/2=Q/(2×C). Для того, чтобы получить большой ток для разрушения, достаточно большая емкость должна быть выбрана, например, 4 мФ. Для зарядных напряжений от 30 В до 40 В, энергия от 1,8 Вт.с до 3,2 Вт.с может быть достигнута посредством этого. Таким образом, достижимый заряд (∆Q/∆t) может быть оценен. Если единица времени (выпуска) составляет 100 мкс, и если заряд ∆Q, сохраненный в конденсаторе определен из энергии, это приводит к большим импульсам тока/толчкам тока в интервале от 1,2 кА до 1,6 кА. При допущении, что этот ток протекает радиально симметрично от контакта затвора к внутреннему краю электрода (например, катода) (предположение: ток протекает непосредственно от металлического затвора к круговому внутреннему краю металлического катода, однако не в гребенчатые затворы, которые возможно могут быть предоставлены), это приводит к линейно специфической плотности тока при запуске внутреннего циркулярного катодного эмиттера (с типичной периферией кругового внутреннего края катода: примерно 50 мм) примерно от 20 до 30 А/мм. При условии глубины от 50 мкм до 0,05 мм для глубины проводящей базовой области, это создает плотность тока в интервале 500 А/мм² при запуске внутреннего катодного эмиттера. Эта величина должна быть такой большой в конце, что желательное предварительное разрушение создается там, т.е. в области внутреннего катодного эмиттера, где очень короткая продолжительность тока должно также приниматься во внимание. Более короткая продолжительность тока или длина импульса, более высокий приложенный ток или заряд должны быть выбраны как являющиеся таковыми.
В обычной структуре тиристора, область p-зоны, которая является высокоустойчивой по отношению к металлу и, дополнительно, один или несколько круговых расширенных затворов расположены между металлическим краем контакта затвора и внутренним краем катодного эмиттера. Оба случая приводят к увеличенному сопротивлению в этой области, которое, посредством этой импульсной токовой нагрузки, вызывает, соответственно, высокое падение напряжения. Однако, это может приводить к повреждению в области увеличения затвора или создавать нежелательное предварительное разрушение в этой области. Тем не менее, этого следует избегать при любых затратах, поскольку эта область не расположена внутри сжатой области контактных электродов. Замыкание при этом расположении приводит к плазме, являющейся «вытесняемой» из впускного затвора (расположение в керамической капсуле, через которую пропущена проволока затвора).
Поэтому, полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением предпочтительно имеет следующие особенности:
• Наименьшее возможное расстояние между радиальным внешним металлическим краем соединения затвора G и радиального внутреннего края включающей структуры (эмиттерной структуры) для того, чтобы предотвращать разрушения в области между соединением затвора и включающей структурой, т.е. в возможно несжатой области;
• Пропуск стадий увеличения затворов;
• В качестве малого диаметра, насколько это возможно, для структуры для соединения кругового соединения металлического затвора и внутреннего края включающей структуры (например лишь 1,75 мм до нескольких миллиметров);
• Без применения длинных гребенчатых затворов, поскольку специфическая плотность тока или плотность энергии, которая предполагается в результате разрушения уменьшенной посредством этого, где токоподводящая поверхность является продуктом периферии и глубины базовой области (примерно 0,05 мм);
• Такой малый внутренний диаметр, насколько это возможно, эмиттера или включающей структуры. Это также является выгодным в том, что подвод энергии для предварительного разрушения, и таким образом также емкость конденсатора могут быть уменьшены. Вместо циркулярных включающих структур, лишь структуры, включающие кольцевые сегменты, могут быть, например, применены;
• Направление тока разряда/ударного тока целевым образом лишь на небольшое место внутреннего края включающей структуры посредством области высокого сопротивления в базовой области между металлическим затвором и внутренним краем металлического катода; Таким образом, ток разряда/ударный ток, первоначально протекает лишь между металлическим затвором и включающей структурой или небольшой областью включающей структуры, что приводит к увеличенной плотности энергии в данном случае.
В особенности предпочтительно, по меньшей мере одна зона базовой области, содержащая эмиттерную структуру, которая образует функциональное электрическое соединение между электродом затвора и эмиттерной структурой, может быть сконфигурирована таким образом, что электрический сигнал, приложенный к электроду затвора, с силой тока по меньшей мере примерно 1 А, предпочтительно по меньшей мере примерно 2 А и более предпочтительно между примерно 5 А и примерно 10 А может быть применен для включения/предварительного разрушения эмиттерной структуры. Это следует понимать как означающее, что область базовой области, встроенной во включающую структуру между триггерной структурой и соответствующей включающей структурой, может быть сконфигурирована таким образом, что включающая структура может быть включена, посредством триггерной структуры, с коэффициентом перевозбуждения самое большее 10, предпочтительно самое большее 5, более предпочтительно самое большее 3, где минимальный ток включения, вызывающий включение/предварительное разрушение включающей структуры составляет по меньшей мере примерно 1 А, предпочтительно по меньшей мере примерно 2 А и более предпочтительно между по меньшей мере примерно 5 А и, самое большее, примерно 10 А.
Триггерный ток или ток включения обычного тиристора зависит от определенного поверхностного сопротивления его базовой области со стороны катода, в которую встроен эмиттер со стороны катода, и, по отношению к процессу, должен быть отрегулирован таким образом, что величины триггерного тока или тока включения типично находятся в интервале мА, в особенности допускаемых значений между 30 мА (125°C) и 400 мА (комнатная температура) и, соответственно, находится в пределах сравнительно узкого интервала. Таким образом обеспечено, например, то, что обычные тиристоры надежным образом противостоят высоким нагрузкам при включении, когда большие токи переключения с очень высокими скоростями нарастания тока при запуске процесса включения, если они контролируются обычными генераторами триггерного тока или тока включения с точно определенными кривыми для триггерного тока или тока включения (амплитудой и продолжительностью для триггерного тока или тока включения).
Поскольку короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением предполагается являющимся закороченным после того, как он запущен однократно, значительно более высокий минимальный ток включения предпочтительно выбирают для короткозамкнутого полупроводникового элемента, в особенности в интервале амперов, например по меньшей мере 1 А или по меньшей мере 2 А, или даже по меньшей мере от 5 А до примерно 10 А, потому что, на одной стороне, попытка проверки удельного поверхностного сопротивления базовой области, содержащей эмиттерную структуру во время получения короткозамкнутого полупроводникового элемента, может таким образом быть уменьшено значительным образом и, с другой стороны, гораздо более низкие требования могут быть установлены для генераторов триггерного тока или тока включения, создающих электрический включающий сигнал, таким образом, что возможны более простые концепции контроля.
Кроме того, следует понимать, что, несмотря на сравнительно высокий триггерный ток или ток включения, выбранный в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с этим вариантом, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением все еще контролируется лишь незначительно перегруженным образом, например, при перевозбуждении 10 А/5 А = 2. Однако, если триггерный ток или ток включения применяют в обычном тиристоре, который находится в интервале амперов, например, в интервале между 5 А и 10 А, вместо интервала в мА, как описано выше, это приводит в результате к перегрузке обычного тиристора, которая является выше по величине одного или двух порядков, или при коэффициенте перевозбуждения, например 10 А/100 мА = 100. Большой коэффициент перевозбуждения делает возможным для обычного тиристора включение быстрым образом.
В короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением, перевозбуждение которое выбирают как являющееся слабым (при, однако, большом триггерном токе или токе включения в интервале амперов), промотирует желательное повреждение данного элемента, т.е. желательное одноразовое, необратимое замыкание. В частности, спецификация максимального перевозбуждения в смысле данного варианта осуществления обеспечивает минимальную подводимую энергию посредством триггерной структуры, которая требуется для желательного предварительного разрушения.
Кроме того, большой ток включения предоставляет дополнительные преимущества. Например, простой механизм отслеживания может быть предоставлен для проверки готовности короткозамкнутого полупроводникового элемента посредством постоянного испытательного тока между соединениями электрода затвора и электрода, контактирующего с эмиттерной структурой, чтобы быть включенным/разрушенным посредством электрода затвора (передним электродом или на задней стороне), где испытательный ток в этом случае выбран гораздо меньшим, чем ток включения. Кроме того, большой ток включения также предоставляет более высокий уровень защиты от электромагнитных воздействий (EMF), например по отношению к ошибочному запуску, вызванному быстрыми изменениями очень высоких напряжений и токов вблизи короткозамкнутого полупроводникового элемента, поскольку восприимчивость к таким ошибочным процессам запуска увеличивается с уменьшением триггерного тока или тока включения.
В дополнение к вышеописанным силам тока включения, ток включения гораздо меньше, чем 1 А может быть установлен в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением в определенных случаях, например, сила тока включения менее чем 1 А и ниже до примерно 500 мА, или даже менее, до примерно 100 мА.
В соответствии с другим выгодным вариантом осуществления данного изобретения, триггерная структура является разделенной структурой, и включающий сигнал является электрическим напряжением, присутствующим между передним электродом и задним электродом. Разделенная структура характеризуется тем, что, в зависимости от электрического напряжения, приложенного к внешним электродам короткозамкнутого полупроводникового элемента, которое вызывает соответствующий перепад напряжения на протяжении разделенной структуры, это позволяет, при достижении или превышении напряжения пробоя, определенного для разделенной структуры, чрезмерное повышение в токе в форме лавинного тока, предпочтительно не ограниченного защитным сопротивлением, посредством которого предварительное разрушения по меньшей мере одного из двух полупроводниковых переходов может быть достигнуто посредством разделенной структуры, сконфигурированной в качестве триггерной структуры.
Например, разделенная структура может быть сконфигурирована как структура диода включения (BOD). Другие разделенные структуры, которые функционально действуют подобным образом и которые хорошо известны, из обычных светоуправляемых тиристоров (LTT), могут также быть применены, например, разделенная структура, имеющая обычную защиту от импульсных перенапряжений (du/dt) и/или разделенную структуру, включающую общую защиту в отношении времени выключения при коммутации цепи с локальным увеличением срока службы носителя. Кроме того, разделенная структура создает, более того, предел для избегания блокирующего повреждения в радиальной внешней краевой области короткозамкнутого полупроводникового элемента в случае непредсказуемого перенапряжения. В этом случае, уровень напряжения пробоя разделенной структуры регулируют таким образом, что он предполагает его наименьшую величину всей полупроводниковой подложки определенно в месте расположения разделенной структуры и таким образом надежным образом предотвращает разделение в краевой области. Для этой цели, разделенная структура расположена в полупроводниковой подложке таким образом, чтобы быть отдаленной от края, в частности вблизи центра. Например, разделенная структура может быть сконфигурирована в форме периферийной замкнутой структуры, которая окружает центр, однако (несколько) смещена от него, такая как кольцевая и/или полигональная структура. В других случаях, однако, она может быть расположена непосредственно в центре полупроводниковой подложки. При этом, направление вдоль окружности следует понимать как направление вытянутое параллельно передней стороне или задней стороне полупроводниковой подложки и в основном перпендикулярное радиальному или поперечному направлению полупроводниковой подложки.
В варианте осуществления данного изобретения, который является особенно подходящим для производства в отношении его конструкции, включающей структуру, которая, например, вследствие триггерной структуры, расположенной в центре полупроводниковой подложки, расположена таким образом, что окружает этот центр и триггерную структуру, разделенным образом, и имеет замкнутую периферию. Например, включающая структура может быть сконфигурирована как замкнутое кольцо и/или полигональная структура. При этом, направление вдоль окружности следует понимать как направление включающей структуры, вытянутое параллельно передней стороне или задней стороне полупроводниковой подложки и в основном перпендикулярное радиальному или поперечному направлению полупроводниковой подложки.
В соответствии с еще одним выгодным вариантом осуществлении данного изобретения, включающая структура расположена на расстоянии в радиальном направлении от триггерной структуры и имеет по меньшей мере один сегмент включающей структуры с шириной включающей структуры, который вытянут в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки и является меньшим везде, чем замкнутая окружная длина в направлении вдоль окружности через сегмент включающей структуры. Другими словами, включающая структура в этом примере варианта осуществления не является периферийно замкнутой, как это имеет место, например, в замкнутом кольце и/или полигональной структуре. Это означает, что периферийная ширина включающей структуры по меньшей мере одного сегмента включающей структуры, который может соответствовать, например, лишь одному кольцевому сегменту, меньше в любом случае, чем периферийная ширина включающей структуры, которая соответствовала бы замкнутому кольцу и/или полигональной структуре включающей структуры, и таким образом окружному углу замкнутого кольца и/или полигональной включающей структуры 360 градусов. Поскольку включающая структура с периферийно замкнутой полигональной и/или кольцевой структурой, которая радиально отделена от центра полупроводниковой подложки, имеет определенную минимальную поверхность, результирующую от процесса производства, поскольку ширина боковой включающей структуры, по отношению к процессу, не может быть изготовлена, чтобы иметь величину менее, чем ширина определенной боковой минимальной структуры, например, которая может быть по меньшей мере примерно 50 мкм, например, поверхность включающей структуры, которая эффективна в плавлении полупроводниковой подложки, может быть уменьшена еще более того посредством представленного выгодного варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, посредством чего в особенности малые токи плавления, результирующие в надежном замыкании полупроводниковой подложки могут также быть реализованы. Соответственно, будет возможно, например, предоставлять минимальный, единственный сегмент включающей структуры с шириной боковой включающей структуры примерно 50 мкм и периферийной шириной включающей структуры, т.е. окружной длиной, также примерно 50 мкм в полупроводниковой подложке, что предоставляет конструкцию короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с током плавления величиной порядка нескольких мА.
В соответствии с еще одним выгодным вариантом осуществлении данного изобретения, по меньшей мере два сегмента включающей структуры, которые отделены один от другого, предоставлены в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки. Предпочтительно, отделены равноотстоящим образом для того, чтобы получить в основном симметричную по окружности конфигурацию короткозамкнутого полупроводникового элемента, которая вызывает более равномерное распределение тока в полупроводниковой подложке как для тока включения для включения или предварительного разрушения включающей структуры, так и для тока плавления создания замыкания в полупроводниковой подложке, и таким образом достигается более равномерное распределение тепла, в особенности во время замыкания, по всей полупроводниковой подложке, т.е. более равномерно распределенная механическая нагрузка.
Еще один выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что электрическое сопротивление включающей структуры, содержащей базовую область, увеличено по меньшей мере в части радиального промежутка между включающей структурой и триггерной структурой (далее в данном документе называемого как зона сопротивления базовой области) за исключением по меньшей мере одного прямого канала, электрически соединяющего по меньшей мере один из сегментов включающей структуры с триггерной структурой. В результате, ток включения, протекающий от триггерной структуры к включающей структуре, может быть направлен целевым образом к единственному сегменту включающей структуры, для того, чтобы надежным образом включать или предварительно разрушать последний, если требуется, для инициирования замыкания короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением. Посредством тока включения, который направлен целевым образом на по меньшей мере один сегмент включающей структуры посредством открытого канала, общий ток включения, который требуется для включения/предварительного разрушения одного или всех сегментов включающей структуры и предоставлен посредством триггерной структуры, может выгодным образом дополнительно уменьшен по сравнению с распределением тока включения, которой в противном случае был бы распределен гомогенным образом во всех радиальных направлениях.
Увеличенное сопротивление в зоне сопротивления базовой области по сравнению с величиной сопротивления в открытом канале предполагают как понимаемое таким образом, что оно является таким различием в величинах сопротивления, которые не могут быть надежным образом приписаны как связанные с производственными отклонениями от заданного размера обычно принимаемых производственных допусков, а являются результатом целевых действий. Например, сопротивление в области сопротивления может таким образом быть увеличено целевым образом посредством концентрации носителей заряда одного и того же типа проводимости таким образом, что в остатке базовой области оно значительным образом меньше по сравнению с остаточной базовой областью, и/или посредством введения их в зону базовой области, называемую пинч-резистором типа проводимости, дополнительную к базовой области типа проводимости, посредством чего сопротивление в зоне сопротивления базовой области также увеличено целевым образом вследствие уменьшения эффективного поперечного сечения проводимости.
Если меньший (кольцевой) сегмент включающей структуры применяют, то он расположен, чтобы являться контроллером в случае повреждения для того, чтобы генерировать полное закорачивание в этом месте. Проблема с этой структурой заключается в том, что сопротивление между металлическими краями контакта затвора и контакта электрода является таким малым, вследствие сравнительно высокой удельной проводимости базовой области, что большая часть тока, который фактически предположен разрушать включающую структуру, протекает в весь металлический контакт металлизации электрода и таким образом уменьшает плотность энергии импульса тока разряда/ударного тока до такой высокой степени, что предварительное разрушение не происходит. Поэтому, дополнительный резистор или область сопротивления могут быть установлены в базовой области, как описано в данном документе.
2
В качестве альтернативы или в дополнение к дополнительной области сопротивления, также можно предположить, что очень тонкий изоляционный слой в интервале нанометров, который был уже описан выше, применяют во всей области контакта электрода. Например, полноповерхностный слой SiO может быть создан на полупроводниковой поверхности (передней стороне или задней стороне) полупроводниковой подложки. В таком случае, этот изоляционный слой может быть удален внутри области затвора или внутри внутреннего края включающей структуры и в небольшой области включающей структуры посредством фотоструктурирования, таким образом, что создается непосредственный контакт между кремниевой поверхностью полупроводниковой подложки и металлизацией электрода лишь в тех областях, которые свободны от этого изоляционного слоя. Таким образом, большая часть поверхности металлизации электрода не имеет непосредственного контакта с поверхностью кремниевой/полупроводниковой подложки. Таким образом, ток является «принужденным» к протеканию непосредственно на области сегментной включающей структуры, которая теперь также соответствует области, не покрытой дополнительным изоляционным слоем. В соответствии с этим, дополнительные области сопротивления могут также не применяться.
Однако, другие варианты осуществления являются также возможными посредством этого изоляционного слоя, как будет пояснено ниже.
Обычно, включающая структура не должна быть покрыта в радиальном направлении внутрь металлизацией электрода или контактным диском, поскольку в противном случае ток включения протекает от контакта затвора G непосредственно через базовую область к электроду соединения без включающей структуры, включенной или приведенной в действие, поскольку контакт электрода может быть в этом случае мостиком или структурой, включающей ток закорачивания. Это означает, что во всех полупроводниковых элементах, сконфигурированных без изоляционного слоя, включающая структура выступает радиальным образом внутрь ниже контакта электрода.
2
Посредством дополнительно локально нанесенного изоляционного слоя, описанного в данном документе, очень тонкий термический оксидный слой (например, SiO) предпочтительно создают в конце всех высокотемпературных стадий для изготовления полупроводниковой подложки, которую затем структурируют посредством фотолитографических процессов), контакт электрода или контактный диск могут теперь достигать в радиальном направлении внутреннего края включающей структуры, однако без ее перекрывания. Таким образом, область предварительного разрушения всегда расположена ниже области прижимного контакта. Эта мера составляет дополнительное улучшение. Является ли это в конечном счете необходимым, зависит от того, имеется ли критический эффект радиально выступающей внутрь включающей структуры или эмиттера ниже контакта электрода по отношению к области затвора. В наихудшем случае, слой эмиттера выступает по отношению к контакту затвора со стороны ниже контакта электрода до такого протяжения, что это результирует в предварительном разрушении и в том, что, в конечном счете, плазма может удаляться к внешней стороне к подающему контакту затвора (волна сжатия «выдувается» наружу по отношению к контакту затвора).
Если изоляционный слой нанесен поверх большой площади поверхности или лишь на месте, где расположена включающая структура или где предварительное разрушение должно быть создано, и ток нагрузки для повреждения затем производит замыкание при этом расположении, отсутствует прямой электрический контактный перенос здесь между металлизацией соответствующего электрода и полупроводниковой поверхностью - это является либо базовой областью, либо частной зоной включающей структуры, сконфигурированной в качестве эмиттера. Это может приводить к разделению между изоляционным слоем и металлизацией, поскольку блокирующий ток, в изолированной области в полупроводниковой подложке, сталкивается с длинным путем до следующей непосредственно связанной контактной областью. В результате, большие поперечные (боковые) напряжения, параллельные полупроводниковой поверхности, происходят в базовой области ниже изоляционного слоя, которые могут затем приводить к электрическому разделению. Для того, чтобы предотвратить это, изоляционный слой должен иметь отверстия или углубления, описанные в данном документе, при определенных интервалах, подобно короткозамкнутой структуре во включающей структуре с большой поверхностью. Затем, блокирующий ток может протекать к соответствующему соединению электрода, если блокирующее напряжение приложено, без слишком больших электрических напряжений, имеющих место в ассоциированной базовой области. Они могут быть кольцевыми углублениями или также отверстиями тока закорачивания, каждое из которых должно иметь достаточный размер для того, чтобы предотвращать боковые перепады напряжения, которые являются нежелательными в базовой области и вызванными посредством блокирующего тока. Если боковая ширина изоляционного слоя, сконфигурированного в качестве изоляционного кольца, не является слишком большой, такие разрывы могут также не применяться.
Кроме того, посредством дополнительного изоляционного слоя, боковая позиция включающей структуры может быть смещена до некоторого протяжения в сторону от внутреннего края электрода, контактирующего с базовой областью по отношению к центральному компоненту или по отношению к внешней стороне. Это может иметь значение, имеет место опасность, что, в случае повреждения посредством тока в области 100 кА, замыкание может расширяться в область неконтактирования под давлением по отношению к соединению затвора (опасность разрыва в области проволочного соединения затвора).
2
3
4
Формирование изоляционного слоя посредством термически образованного оксида, например, SiO, является выгодным в том, что он может быть осажден посредством обычных диффузионных процессов при очень крайних высокотемпературных стадиях или перед осаждением металлических слоев, т.е. посредством термического окисления в атмосфере кислорода при высоких температурах в интервале 800°C - 900°C. Однако, если это будет являться неблагоприятным по отношению к адгезии металлизации по различным причинам, относящимся к процессу, другой изоляционный слой, например, SiN (нитрида кремния) может также быть осажден. Такие изоляционные слои могут также быть осаждены из газовой фазы посредством подходящих способов, таких как LPCVD (Химическое осаждение из паровой фазы при пониженном давлении) при температурах значительно ниже 1000°C. В качестве предварительной обработки осаждения металла, химические травители применяют для удаления надежным образом природного оксидного слоя (в интервале от 20 нм до 40 нм) на поверхности Si, например, буферизованную HF травящую смесь. В противоположность к термически образованному оксиду, нитридный слой является устойчивым к травящим растворителям на основе HF.
Важно для всех осажденных изоляционных слоев то, что их толщины, по сравнению с толщиной металлического слоя электрода, не выбирают являющимися слишком большими для того, чтобы избегать ступени на краю изоляционного слоя. Поэтому, выбрана толщина изоляционного слоя в интервале от 50 нм до 100 нм. По сравнению с большой толщиной металлизации электрода, которая находится в интервале обычно от 10 мкм до 30 мкм, ступень при переходе к изоляционному слою является тогда пренебрежимо малой.
Изоляционный слой должен быть нанесен лишь локально, однако всегда таким образом, что электрический контакт между проводящей Si поверхностью полупроводниковой подложки и металлизацией электрода становится локально с очень высоким сопротивлением или полностью устранен, однако, как описано выше, здесь должен предусматриваться (все еще) достаточный прямой электрический контакт между электродом и соответствующей базовой областью.
Поскольку разделенная структура сконфигурирована, как описано выше, когда триггерная структура или включающая структура обеспечивает поступление ее включающего сигнала от электрического напряжения, приложенного к внешним двум электродам полупроводниковой подложки, и таким образом дополнительный внешний, например, оптический или электрический, включающий сигнал не может быть подан к короткозамкнутому полупроводниковому элементу, если включающая структура или триггерная структура, связанная с включающей структурой, сконфигурирована лишь как разделенная структура, тогда диодный корпус, который не имеет дополнительного соединения для дополнительного внешнего включающего сигнала, может быть применен, особенно выгодным образом, для согласования короткозамкнутого полупроводникового элемента, сконфигурированного таким образом. В таком случае, разделенная структура может в особенности предпочтительно быть расположена в центре полупроводниковой подложки, где передняя и задняя сторона электродов может быть вытянута полностью через центр и таким образом через включающую структуру, поскольку никаких углублений для подачи внешнего включающего сигнала не требуется предоставлять.
В соответствии с другим выгодным вариантом осуществления данного изобретения, включающая структура имеет по меньшей мере один вывод включающей структуры, вытянутый в радиальном направлении наружу от расположения включающей структуры в поперечном направлении, (также называемая как гребенчатая структура включающей структуры). Другими словами, по меньшей мере один гребенчатый выступ включающей структуры выступает радиальным образом наружу от расположения включающей структуры. Как уже было разъяснено выше, интегральный минимальный ток плавления, при котором предполагается, что замыкание короткозамкнутого полупроводникового элемента происходит в основном как определено шириной боковой включающей структуры соответствующей включающей структуры, например шириной боковой включающей структуры эмиттерной структуры или шириной боковой разделенной структуры разделенной структуры, и эквивалентным образом, посредством поверхности включающей структуры, которая является эффективной во время плавления полупроводниковой подложки. Другими словами, небольшое отношение, которое предназначено в соответствии с данным изобретением, ширины боковой включающей структуры соответствующей включающей структуры к ширине бокового электрода связанного электрода, приложенного к базовой области, включающей включающую структуру, вызывает ток плавления, который является таким малым, как это желательно, и который надежным образом приводит к замыканию короткозамкнутого полупроводникового элемента, таким образом, что сравнительно небольшое повреждение или ток закорачивания, переносимый короткозамкнутым полупроводниковым элементом между электродами на передней стороны и на задней стороне электродов, надежным образом закорачивает короткозамкнутый полупроводниковый элемент желательным образом и таким образом устанавливает нереверсируемое, низкоомное токоподводящее состояние (закороченное рабочее состояние).
С другой стороны, эффективная поверхность включающей структуры, например эмиттерной структуры или разделенной структурой, и таким образом также вся поверхность полупроводниковой подложки должна в целом быть адаптирована к силе тока закорачивания для постоянного абсорбирования короткозамкнутым полупроводниковым элементом в случае короткого замыкания, для того, чтобы предотвращать, если поверхность включающей структуры является слишком малой, взрывное начало процесса плавления прямо в начале протекания тока, приводящее к механическим разрушениям всего короткозамкнутого полупроводникового элемента, что может создавать риск для окружающей среды. Поверхность включающей структуры большей величины может оказывать благоприятное влияние на размер протяжения в боковом направлении закороченной области, где в боковом направлении более широкая протяженность закороченной области, вследствие поперечного сечения с большей результирующей проводимостью, выгодным образом вызывает уменьшение электрического сопротивления области короткого замыкания в полупроводниковой подложке, образованной посредством закорачивания. Гребенчатая структура включающей структуры выгодным образом предоставляет возможность создания компромисса между контрастирующими требованиями для поверхности включающей структуры, которая является такой малой, насколько это возможно, для того, чтобы уменьшать ток закорачивания или ток плавления, требуемый для надежного замыкания, и достаточно большой поверхностью для надежного подвода тока закорачивания без риска механического разрушения короткозамкнутого полупроводникового элемента, потому что в случае гребенчатой включающей структуры, токоподводящая область короткозамкнутого полупроводникового элемента, включенная посредством включающего сигнала, является распределенной поверх большей периферии.
Кроме того, гребенчатая структура помогает поддержанию области плавления в стороне от центра короткозамкнутого полупроводникового элемента. Это является выгодным, в особенности если триггерная структура, снабженная внешним включающим сигналом (например, оптическим или электрическим образом) для включения включающей структуры, или короткозамкнутый полупроводниковый элемент расположен в центре полупроводниковой подложки. В таком случае, область, в которой включающий сигнал подан к триггерной структуре, не покрыта электродом (например катодным или анодным электродом), который предоставляет основное электрическое соединение для короткозамкнутого полупроводникового элемента и который является приложенным к базовой области, имеющей включающую структуру, таким образом, что плазма может удаляться во время замыкания из области непокрытой передней и/или задней стороны, и может в результате приводить к поврежденному корпусу, окружающему короткозамкнутый полупроводниковый элемент, таким образом создавая опасность для окружающей среды.
Другой выгодный вариант осуществлении данного изобретения предоставляет то, что, если по меньшей мере одна триггерная структура и включающая структура с гребенчатой структурой, как описано выше, предоставлены, триггерная структура имеет по меньшей мере один вывод триггерной структуры, который соответствует или следует контуру или форме по меньшей мере одного вывода включающей структуры. Одинаковое расстояние, например, в боковом или радиальном направлении и/или в вертикальном направлении, между триггерной структурой и включающей структурой может таким образом быть обеспечено по всему протяжению гребенчатой включающей структуры, таким образом, что триггерная структура может действовать, в смысле данного изобретения, на включающую структуру равномерным образом по всему ее протяжению.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения, по меньшей мере один вывод включающей структуры имеет максимальную длину бокового, т.е. радиального, вывода, которая является меньше, чем 4/5 ширины бокового электрода, электрода, приложенного к базовой области, имеющей включающую структуру. Таким образом, максимальная длина радиального вывода может также составлять менее чем 3/4, 2/3, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 от ширины бокового электрода, например. Если предоставлена триггерная структура, которая также имеет гребенчатую структуру и, как описано выше, соответствует или следует гребенчатой структуре включающей структуры, по меньшей мере один вывод триггерной структуры может также иметь длину вывода, соответствующую длине вывода соответственного вывода включающей структуры.
DRM
RRM
n1
n
DRM
RRM
В соответствии с еще одним выгодным вариантом осуществлении данного изобретения, толщина внутренней области в вертикальном направлении составляет более чем 400 мкм, более предпочтительно более чем 600 мкм, и еще более предпочтительно более чем 800 мкм или 900 мкм, или даже 1000 мкм. Вообще, найдено, что опасность повреждения края короткозамкнутого полупроводникового элемента в случае перенапряжения может быть избегнута посредством внутренней области полупроводниковой подложки, которая может быть более толстой по сравнению с обычным тиристором. Практически не имеется максимальная толщина для внутренней области, как это имеет место в обычном тиристоре, поскольку отсутствует проводимость или динамические потери для короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, которые установлены при верхнем пределе в отношении толщины внутренней области. Для требуемого класса напряжения, например, V/V = 2,2 кВ, обычный тиристор, имеющий толщину W в интервале примерно 320 мкм и удельное сопротивление кремния 85 Ом∙см, может быть применен. В противоположность этому, толщина W примерно 850 мкм может быть выбрана для короткозамкнутого полупроводникового элемента по данному изобретению. Удельное сопротивление 270 Ом∙см будет приводить к более чем в два раза большей симметричной способности к блокированию (V/V = 5,2 кВ) для полупроводниковой структуры полупроводниковой подложки в соответствии с данным изобретением. Даже способности к блокированию >10 кВ (средневольтные сетки) могут быть предоставлены соответствующим исполнением толщины внутренней области. Вместе с установкой срока службы посредством высокой дозы облучения для облучения электронами, блокирующий ток может быть отрегулирован до очень малой величины. Таким образом, способность к блокированию короткозамкнутого полупроводникового элемента может быть установлена как являющаяся гораздо выше, чем максимальное перенапряжение, происходящее во время применения короткозамкнутого полупроводникового элемента, и это без каких-либо неблагоприятных эффектов на короткозамкнутом полупроводниковом элементе и при его применении. Такой малый блокирующий ток, насколько это возможно, является значительным преимуществом для короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, поскольку блокирующее напряжение практически постоянно приложено к нему при применении, таким образом, что блокирующие токи, которые являются такими малыми, насколько это возможно, могут быть получены, и сопутствующие потери при блокировании могут поддерживаться такими малыми, насколько это возможно, таким образом, что короткозамкнутый полупроводниковый элемент может функционировать без активной охлаждающей системы. Возникновение повреждения в краевой области короткозамкнутого полупроводникового элемента, которая является критической в отношении тока разрушения корпуса, также в основном устранено посредством этой меры.
В соответствии с еще одним выгодным вариантом осуществлении данного изобретения, передний электрод и задний электрод контактируют каждый под давлением электропроводным образом посредством металлического контактного диска. В этом случае, соответствующий контактный диск может предпочтительно иметь такую же боковую ширину, что и соответствующий электрод, так что контактный диск покрывает соответствующий электрод полностью. Контактные диски могут быть надежно соединены с соответствующим металлическим электродом полупроводниковой подложки, например, посредством сплава, или лишь расположены на нем без сцепления. Контактные диски могут быть сконфигурированы как диски из чистого молибдена или диски, состоящие из комбинации молибдена и меди, где молибден находится предпочтительно в непосредственном контакте с металлизацией полупроводниковой подложки. Выгодным образом, данное изобретение обеспечивает, как описано выше, то, что область закорачивания, созданная между передним электродом и задним электродом короткозамкнутого полупроводникового элемента, в случае короткого замыкания всегда расположена в области короткозамкнутого полупроводникового элемента, контактирующего под давлением посредством металлических контактных дисков.
Толщина диска из молибдена или комбинации молибдена и меди находится предпочтительно между 1 мм и 5 мм. В этом случае, следует понимать, что толщина контактных дисков может быть адаптирована к силе тока закорачивания, протекающего через короткозамкнутый полупроводниковый элемент. Во время замыкания в случае операции короткого замыкания, кремниевая полупроводниковая подложка и металлические области контактных дисков сплавляются таким образом, что сформирована металлическая зона. В зависимости от случая применения или силы максимального тока закорачивания, являющегося постоянно проводимым, толщина контактных дисков спроектирована таким образом, что стороны контактных дисков направлены в сторону от соответствующих электродов полупроводниковой подложки, по существу не проявляя чрезмерного изменения после возникновения расплавленных частей. В частности, контактирование под давлением, которое обеспечивает электропроводное, низкоомное и термическое соединение, поддерживается, в случае операции закорачивания тока короткозамкнутого полупроводникового элемента, между контактными дисками, контактирующими с металлизациями полупроводниковой подложки и соответствующими контактными штампами, например, медными штампами, корпуса, вмещающего короткозамкнутый полупроводниковый элемент, которые прижаты к контактным дискам посредством достаточного поверхностного давления, таким образом, что образование электрической дуги вне области контактирования под давлением посредством контактных дисков после того, как короткозамкнутый полупроводниковый элемент приведен в действие, надежным образом предотвращено. Ни в коем случае область плавления не предполагается удаленной посредством (медных) контактных штампов к наружной стороне во время замыкания.
Следует понимать, что вышеописанные различные типы включающих структур могут быть объединены любым образом внутри одного короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, в особенности, если более чем одна включающая структура предоставлена в короткозамкнутом полупроводниковом элементе. С учетом необходимых изменений, вышеописанные различные типы триггерных структур могут также быть объединены один с другим в одном короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением, если более чем одна триггерная структура предоставлена в короткозамкнутом полупроводниковом элементе. Вышеописанные различные типы триггерных структур могут также быть объединены с различными типами включающих структур любым образом.
Соответственно, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением может быть включен, например, посредством одного или нескольких электрических включающих сигналов, посредством соответствующих включающих структур, предоставленных в полупроводниковой подложке. Включающие сигналы могут быть приложены к короткозамкнутому полупроводниковому элемент лишь на одной стороне, например, на передней стороне полупроводниковой подложки, или также на обеих сторонах, т.е. на передней и на задней сторонах полупроводниковой подложки, посредством соответствующих триггерных структур, предоставленных на соответствующих сторонах полупроводниковой подложки.
Кроме того, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением может включать одну или несколько разделенных структур в качестве триггерных структур или включающих структур, где несколько имеющихся разделенных структур могут быть сконструированы для одного и того же или соответственно различных напряжений пробоя.
Разделенные структуры, служащие в качестве триггерной структуры, например структуры диода включения (BOD), а также разделенной структуры, имеющей защиту от импульсных перенапряжений (du/dt), и разделенной структуры с защитой времени выключения при коммутации цепи с локальным увеличением срока службы носителя, могут быть расположены внутри увеличенной структуры затвора, т.е. отделенной в боковом направлении от электрода на передней или задней стороне и, соответственно, вне области, электрически контактирующей посредством этих электродов. Данное расположение внутри увеличенной структуры затвора не является, однако, абсолютно необходимым. Разделенные структуры, служащие в качестве как триггерной структуры, так и включающей структуры, могут также быть расположены в вертикальном направлении ниже электрода на передней или задней стороне, например, в базовой области, электрически контактирующей посредством соответствующего электрода.
Кроме того, триггерная и включающая структуры, описанные в данном документе, могут быть предоставлены лишь на одной стороне, т.е. лишь на передней стороне или задней стороне базовой области или также на обеих сторонах, т.е. в обеих базовых областях полупроводниковой подложки короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением.
В общем, определения терминов, использованных в данном документе, перечислены ниже в общих чертах:
I. Включающая структура:
Структура для генерации замыкания в полупроводниковой подложке короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением, для того, чтобы устанавливать, после того как она включена или предварительно разрушена, низкоомное электропроводное состояние (короткое замыкание) между внешними электрическими основными соединениями (катодом/анодом), которые электрически соединены с короткозамкнутым полупроводниковым элементом и, в случае нормального функционирования (не короткого замыкания), электрически отделены друг от друга посредством полупроводниковой подложки.
Возможный вариант осуществления, например:
a. Эмиттерная структура
b. Разделенная структура (например, структура в форме BOD (структуры диода включения), структура, имеющая обычную защиту от импульсных перенапряжений (du/dt), структура с защитой времени выключения при коммутации цепи)
II. Включающий сигнал:
Сигнал для инициирования включения или предварительного разрушения включающей структуры.
Возможный вариант осуществления, например:
a. Отдельный электрический сигнал, внешним образом подаваемый к полупроводниковой подложке в соответствии с данным изобретением
b. Электрическое напряжение/рабочее напряжение, приложенное к электрическим основным соединениям (катоду/аноду) короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением
III. Ток включения:
Ток, полученный от включающего сигнала и поданный к включающей структуре, сконфигурированной как эмиттерная структура для запуска или включения.
IV. Ток плавления:
Ток, вызывающий замыкание в полупроводниковой подложке.
V. Триггерная структура:
Необязательная вспомогательная структура для направления к включающей структуре включающего сигнала, который всегда подан к вспомогательной структуре.
Возможный вариант осуществления, например:
a. Электрод затвора - Подаваемый включающий сигнал: II.a
b. Разделенная структура (например, структура в форме BOD (структуры диода включения), структура, имеющая обычную защиту от импульсных перенапряжений (du/dt), структура с защитой времени выключения при коммутации цепи) - Подаваемый включающий сигнал: II.b
Другие преимуществ и особенности данного изобретения станут очевидными из представленного ниже описания, а также из примеров вариантов данного изобретения, которые не должны пониматься, как ограничивающие данное изобретение, и которые будут пояснены ниже со ссылками на чертежи. На этих чертежах фигуры схематически показывают:
Фиг. 1 - вид в вертикальном разрезе тиристора предшествующего уровня техники,
Фиг. 2 - вид в вертикальном разрезе примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой и триггерной структурой,
Фиг. 3 - вид в плане другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с гребенчатой включающей структурой,
Фиг. 4 - вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и триггерной структурой,
Фиг. 5 - вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и двумя триггерными структурами,
Фиг. 6 - вид в вертикальном разрезе еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой и триггерной структурой,
Фиг. 7 - вид в вертикальном разрезе еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и двумя триггерными структурами,
Фиг. 8 - две схемы электрических соединений в каждом случае одного примера варианта осуществления межсоединений короткозамкнутого полупроводникового элемента Фиг. 2,
Фиг. 9 - вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и двумя триггерными структурами,
Фиг. 10 - вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и триггерной структурой,
Фиг. 11 - в каждом из видов (a), (b) и (c) показан профиль концентрации на протяжении короткозамкнутого полупроводникового элемента Фиг. 10 вдоль показанных в них линий профиля концентрации Na, Nb и Nc,
Фиг. 12 - вид в вертикальном разрезе еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами и двумя триггерными структурами,
Фиг. 13 - частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой, который открыт в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки и имеет сегмент включающей структуры и триггерную структуру,
Фиг. 14 - частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой, который открыт в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки и имеет сегмент включающей структуры и триггерную структуру,
Фиг. 15 - вид в вертикальном разрезе короткозамкнутого полупроводникового элемента Фиг. 14 вдоль линии разреза X-X,
Фиг. 16 - частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой, который открыт в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки и имеет сегмент включающей структуры и триггерную структуру,
Фиг. 17 - частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением с включающей структурой, который открыт в направлении вдоль окружности полупроводниковой подложки и имеет сегмент включающей структуры и триггерную структуру,
Фиг. 18 - вид в вертикальном разрезе короткозамкнутого полупроводникового элемента Фиг. 17 вдоль линии разреза Y-Y,
На различных фигурах, части, которые являются эквивалентными по отношению к их функции, всегда представлены под одними и теми же цифровыми обозначениями, так что они также описаны лишь один раз, как правило.
Фиг. 1 показывает вертикальный разрез тиристора 1 предшествующего уровня техники. Тиристор 1 имеет полупроводниковую подложку 2, по существу имеющую форму очень плоского цилиндра, базовые поверхности которого вытянуты перпендикулярно вертикальному направлению v. Каждое направление, перпендикулярное вертикальному направлению v, в данном документе называется как радиальное или поперечное направление, где поперечное направление обозначено ссылочной позицией r на Фиг. 1.
Полупроводниковая подложка 2 сформирована из полупроводникового материала, например, кремния, и имеет полупроводниковые области, легированные p-проводящим и n-проводящим образом, которые определяют электрические свойства тиристора хорошо известным образом. Тиристор 1 и/или полупроводниковая подложка 2 сформированы, чтобы являться осесимметричными по отношению к центральной оси 3, вытянутой в вертикальном направлении v.
В полупроводниковой подложке 2 изображенного тиристора 1 известного уровня техники, p-легированная базовая область 6 на задней стороне, n-легированная внутренняя область 7 и p-легированная базовая область 8 на передней стороне расположены последовательно в вертикальном направлении v, начиная от задней стороны 4 к передней стороне 5, расположенной напротив задней стороны 4.
S1
n-легированный эмиттер 9 на передней стороне встроен в p-легированную базовую область 8 на передней стороне, смежную с передней стороной 5 полупроводниковой подложки 2, где эмиттер 9 на передней стороне имеет общую боковую ширину W эмиттера, определенную его протяжением в боковом направлении. Здесь, ширина боковой общей структуры эмиттера 9 понимается как означающая расстояние от наиболее удаленной в радиальном направлении внутрь внутренней стороны указанной структуры эмиттера 9 до наиболее удаленной во внешнюю сторону ограничивающей внешней стороны структуры эмиттера 9. Эмиттер 9 в обычном тиристоре 1, показанном на Фиг. 1, имеет периферийно замкнутую кольцевую структуру, которая концентрически окружает центральную ось 3, где полупроводниковая подложка 2 или тиристор 1 сформирована по существу в виде цилиндра, который является осесимметричным по отношению к центральной оси 3.
E1
Кроме того, из Фиг. 1 видно, что эмиттер 9 с n-легированной передней стороной электропроводным образом соединен со слоем 10 металлизации (например, алюминием), который применен к передней стороне 5 и который образует электрод 10 на передней стороне тиристора 1, где электрод 10 на передней стороне в изображенном примере обычного тиристора 1 может также называться как катодный электрод, который имеет катодное соединение K. Электрод 10 на передней стороне имеет общий боковой передний электрод шириной W, которая определена посредством его протяжения в боковом направлении. p-легированная базовая область 6 на задней стороне электропроводным образом соединена со слоем 11 металлизации (например, алюминием), который применен к задней стороне 4 и который образует электрод 11 на задней стороне тиристора 1, где электрод 11 на задней стороне в изображенном примере обычного тиристора 1 может также называться как анодный электрод, который имеет анодное соединение A.
Как также очевидно из Фиг. 1, эмиттер 9 на n-легированной передней стороне является рассеянным, как хорошо известно, посредством закорачиваний 12 (также называемых как закорачивание катодного тока), которые сконфигурированы подобно колоннам и активированы образом, дополнительным к передней стороне эмиттер 9, и которые электрически соединяют p-легированную базовую область 8 на передней стороне непосредственно с электродом 10 на передней стороне.
Кроме того, из Фиг. 1 видно, что тиристор 1 имеет, в центре 13 (r = 0) полупроводниковой подложки 2, определенном геометрическим центром тяжести передней стороны 5, триггерную структуру в форме электроды 14 затвора, посредством которого, в зависимости от электрического запускающего или включающего сигнала (тока затвора), электропроводное соединение с низким сопротивлением может быть создано хорошо известным образом между электродом 10 на передней стороне (а именно: катодом) и электродом 11 на задней стороне (а именно: анодом). В данном случае, центр 13, который соответствует боковой позиции центр 13 передней стороны вследствие симметричной конфигурации полупроводниковой подложки 2, также определен посредством геометрического центра тяжести задней стороны 4 полупроводниковой подложки 2, вследствие чего два центра предоставлены с одним и тем же цифровым обозначением 13. Два центра 13 определяют направление центральной оси 3 (также называемой как ось симметрии).
D
E1
E1
R
Например, если положительный потенциал присутствует между электродом 11 на задней стороне и электродом 10 на передней стороне, n-p-n-p структура тиристора 1, блокирующая в направлении блокирования (U), приведена в действие или включена посредством тока затвора (направления положительного тока от затвора 14 к электроду 10 на передней стороне). Во время процесса запуска, плазма тока распространяется, начиная от стороны высоко n-легированного эмиттера 9 на передней стороне, обращенной к центру 13, в радиальном или в боковом направлении наружу по всей области W переднего электрода со скоростью примерно 0,1 мм/мс, до тех пор, в зависимости от диаметра тиристора 1, вся область W переднего электрода переносит ток по прошествии примерно от 1 до 4 мс, и высокий ток нагрузки протекает между электродом 10 на передней стороне (катодом) и электродом 11 на задней стороне (анодом). Затем, прямое напряжение, присутствующее в проводящем состоянии тиристора 1, принимает его наименьшую величину. Лишь когда ток, протекающий через тиристор 1, достигает нулевого значения, он опять «прекращается» и переходит в блокированное состояние (U или отрицательный потенциал между электродом 11 на задней стороне и электродом 10 на передней стороне). Неповрежденная, обычная структура тиристора, как это показано на Фиг. 1, может быть переключена между этими двумя состояниями произвольное число раз.
n1
n1
n1
Блокирующее напряжение тиристора 1 рассчитывают из минимальной толщины W и удельного сопротивления ρ n-легированной внутренней области 7, в то время как его минимальная поверхность n-легированного эмиттера 9 на передней стороне определяет силу допустимого ударного тока и потерь в пропускном направлении (потерь на электропроводность). В этом случае, толщина W не может быть выбрана произвольным образом, например, для того, чтобы увеличить способность к блокировке, поскольку это влияет негативным образом на ударный ток и потери на электропроводность. Соответственно, поверхность эмиттера 9 и толщина W кремния определенным образом подгоняют к соответствующему применению обычного тиристора 1.
S1
E1
S1
E1
Как дополнительно очевидно из Фиг. 1, боковая ширина W передней стороны эмиттера 9 в основном равна боковой ширине W электрода 10 на передней стороне. В результате, отношение ширины W эмиттера на передней стороне в боковом направлении к ширине W переднего электрода в боковом направлении по существу равно 1 или даже несколько больше, чем 1, в обычном тиристоре 1.
Фиг. 2 показывает вид в вертикальном разрезе примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 15 в соответствии с данным изобретением. Короткозамкнутый полупроводниковый элемент 15 имеет полупроводниковый элемент 16, в котором, подобно обычному тиристору 1, показанному на Фиг. 1, p-легированная задняя базовая область 6, n-легированная внутренняя область 7 и p-легированная базовая область 8 на передней стороне расположены последовательно в вертикальном направлении v, начиная от задней стороны 4 к передней стороне 5, расположенной напротив задней стороны 4.
ER
EV
Как очевидно из Фиг. 2, базовая область 6 на задней стороне соединена электропроводным образом с электродом 11 на задней стороне посредством ширины W общего бокового заднего электрода, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который приложен к задней стороне 4, и передняя базовая область 8 соединена электропроводным образом с электродом 10 на передней стороне посредством бокового переднего электрода шириной W, определенной посредством его протяжения в боковом направлении, который применен к передней стороне 5.
SV
Включающая структура 17 на передней стороне с шириной W боковой включающей структуры на передней стороне, определенной посредством ее протяжения в боковом направлении, встроена в p-легированную базовую область на передней стороне 8, смежной с передней стороной 5 полупроводниковой подложки 16. В примере варианта осуществления, показанном на Фиг. 2, включающая структура 17 на передней стороне сконфигурирована как n-легированная эмиттерная структура 17 на передней стороне, которая может быть сконфигурирована как периферийно замкнутое кольцо и/или полигональная структура, например. Как очевидно из Фиг. 2, эмиттерная структура 17 соединена электропроводным образом со слоем 10 металлизации (например, алюминием), нанесенным на переднюю сторону 5. Как также очевидно, электрод 10 на передней стороне покрывает переднюю сторону эмиттерной структуры 17 по меньшей мере частично. В частности, Фиг. 2 показывает, по меньшей мере в отношении порядков величины, что покрытие включающей структуры 17 электродом 10 на передней стороне во внешней во внешней краевой области, т.е. в направлении по отношению к радиальному внешнему краю короткозамкнутого полупроводникового элемента 15 (r > 0), может находиться по меньшей мере в миллиметровой области, например, составлять по меньшей мере от примерно 1 мм до 5 мм или даже более. Как показано на Фиг. 2, эмиттерная структура 17, на радиальной внутренней стороне слоя 10 металлизации, обращенной к центру 13, выступает немного из него. В примере варианта осуществления, показанном на Фиг. 2, n-легированная передняя сторона эмиттерной структуры 17 также рассеяна посредством закорачиваний 12, которые сконфигурированы столбиков и легированы таким образом, который является дополнительным к эмиттерной структуре 17, и которые электрически соединяют p-легированную базовую область 8 на передней стороне с электродом 10 на передней стороне.
SV
Форма закорачиваний 12 может варьироваться, в зависимости от эффекта силы желательного тока закорачивания. Круговые или полигональные, например, гексагональные, небольшие углубления точечной формы внутри поверхности непрерывной эмиттерной структуры общей эмиттерной структуры 17, определенной шириной W боковой передней стороны, являются обычными, где закорачивания 12 могут иметь размеры величиной порядка примерно 100 мкм. Однако, другие формы таких закорачиваний 12 возможны, например, полосовидные разрывы или кольцевые разрывы, которые разделяют эмиттерную структуру 17 на отдельные концентрические кольца. Ширина таких разрывов находится обычно в интервале примерно 100 мкм.
По сравнению с обычным тиристором 1, показанном на Фиг. 1, эффект закорачивания тока закорачиваниями 12 в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 15 в соответствии с данным изобретением может также быть увеличен до очень высокой степени посредством целевой конструкции, например, посредством отверстий для закорачивания тока закорачиваний 12 сформированных значительным образом большей величины, чем в обычном тиристоре 1, показанном на Фиг. 1, и/или посредством плотности закорачиваний 12 по отношению к поверхности эмиттерной структуры, эмиттерной структуры 17, выбранной таким образом, чтобы быть значительным образом больше, т.е. расстояние смежных замыканий 12 одного от другого выбрано таким образом, чтобы быть значительным образом меньше, чем в обычном тиристоре 1. В результате, поверхностно-удельный ударный ток в кА/см² в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 15 в соответствии с данным изобретением может быть уменьшен даже более того (в противоположность обычному тиристору 1, в котором ударный ток, как известно, всегда является максимизированным), для того, чтобы надежным образом обеспечивать замыкание полупроводниковой подложки 16 в случае короткого замыкания, как описано в данном документе.
Два p-n или n-p перехода в полупроводниковой подложке 16, расположенные вышеописанным образом, создают короткозамкнутый полупроводниковый элемент 15, который блокирует в обеих полярностях напряжения.
SV
EV
Одним различием между короткозамкнутым полупроводниковым элементом 15, показанном на Фиг. 2, и обычным тиристором 1, показанном на Фиг. 1, является отношение ширины W боковой включающей или эмиттерной структуры к ширине W бокового электрода, которая значительно меньше, чем 1 в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 15, и может предпочтительно быть выбрано таким образом, чтобы составлять менее чем 1/2 или даже меньше, которое, однако, не является абсолютно необходимым.
Кроме того, из Фиг. 2 видно, что электрод 10 на передней стороне и электрод 11 на задней стороне контактируют каждый, в частности посредством контактирования под давлением, электропроводным образом посредством металлических контактных дисков 18 и 19 на передней стороне и на задней стороне, соответственно. Контактные диски 18 и 19 могут быть сконфигурированы как диски из чистого молибдена или диски, состоящие из комбинации молибдена и меди, где молибден находится предпочтительно в непосредственном контакте с соответствующим электродом 10 или 11 полупроводниковой подложки 16. Толщина контактных дисков 18 и 19 находится предпочтительно между 1 и 5 мм.
Кроме того, Фиг. 2 показывает триггерную структуру 20 с передней стороны короткозамкнутого полупроводникового элемента 15, которая сконфигурирована в качестве электрода затвора 20 и которая контактирует с базовой областью 8 на передней стороне электропроводным образом, и которая может быть активирована в зависимости от электрического включающего сигнала, приложенного к электроду затвора 20 посредством его соединения затвора G и, вследствие этого, может включать или предварительно разрушать включающую или эмиттерную структуру 17 на передней стороны, которая электрически функционально соединена с электродом затвора 20 посредством базовой области 8 на передней стороне. После того, как включающая или эмиттерная структура 17 была включена/предварительно разрушена, это создает, однократным образом, постоянное, необратимое, электропроводное соединение с низким сопротивлением между электродом 10 на передней стороне и электродом 11 на задней стороне. При функционировании, электрод затвора 20 приведен в контактирование посредством электропроводной проволоки (не показана), прижатой на своем месте посредством пружинящего действия.
Как уже было указано выше и очевидно из Фиг. 2, эмиттерная структура 17, на радиальной внутренней стороне слоя 10 металлизации, обращенной к центру 13, выступает немного из него. Здесь, это является необходимым, чтобы не было короткого замыкания эмиттерной структуры 17. В случае такого короткого замыкания, ток включающего сигнала, приложенный посредством триггерной структуры или электрода затвора 20, сможет протекать непосредственно из них к электроду 10, который, однако, может, по меньшей мере частично, оказывать влияние на желательное функционирование включающей или эмиттерной структуры 17 негативным образом.
Кроме того, во время функционирования, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 15 обычно размещен в герметизированной керамической капсуле (не показано) или пластиковой капсуле, сконфигурированной в качестве корпуса. Для того, чтобы подавать внешний электрический сигнал включения или сигнал, управляющий пропусканием, металлическую трубку присоединяют к керамической/пластиковой капсуле, которая соединена с металлизированной областью затвора 20 посредством проволоки для введения внешнего включающего сигнала. Кроме того, керамическая/пластиковая капсула имеет два медных контактных штампа, которые расположены непосредственно на контактных дисках 18 или 19 электрода 10 на передней стороне или электрода 11 на задней стороне на обеих сторонах короткозамкнутого полупроводникового элемента 15. Этот короткозамкнутый полупроводниковый элемент 15, расположенный в расположенный в керамической/пластиковой капсуле, электрически соединен с внешней стороной посредством соответствующего механического давления соединения, которое прижимает два медных контактных штампа совместно с достаточно высоким поверхностным давлением, наряду с тем, что, для контроля посредством включающего сигнала, металлическая трубка, расположенная в керамической/пластиковой капсуле, соединена, на внешней стороне капсулы, с электролинией посредством подходящего штекерного соединения или паяного соединения.
V
R
V
R
V
R
SV
EV
EV
n
Основная функция короткозамкнутого полупроводникового элемента 15 заключается в том, что, посредством одиночного импульса сигнала включения или сигнала, управляющего пропусканием при достаточном уровне тока, т.е., если триггерная структура активируется посредством включающего сигнала, предопределенная подводимая энергия инжектируется в полупроводниковую подложку между триггерной структурой и включающей структурой на передней стороне, и посредством этого, первый полупроводниковый переход, сформированный между соответствующей включающей структурой и базовой областью, встроенной в нее, в данном случае между n-эмиттером и p-базовой областью, и/или второй полупроводниковый переход, сформированный между этой базовой областью и внутренней областью, безвозвратным образом разрушен, что проиллюстрировано на Фиг. 2 посредством изображенной на ней области 75 предварительного разрушения. Затем, полупроводниковую подложку 16 разрушают посредством тока повреждения протекающего через электродные соединения E и E таким образом, что расплавленная часть или замыкание 21 образуется вблизи приведенной в действие в начальной стадии области полупроводниковой подложки 16, размер или радиальное/боковое которой зависит, помимо прочего, также от величины тока закорачивания, протекающего между соединениями E и E. После того, как расплавленный материал был охлажден, формируется металлическая область, которая состоит из плавкого кремния полупроводниковой подложки 16 и металлических контактных дисков 18 или 19 и предоставляет постоянно надежным образом проводящее, низкоомное электрическое соединение (короткое замыкание) между двумя основными электродными соединениями E и E. Силу тока плавления определяют посредством максимальной поверхности, которая спроектирована в соответствии с тем, чтобы ток короткого замыкания являлся постоянно поглощаемым, для n-легированной передней стороны эмиттерной структуры 17, где целью является небольшое отношение W/W, насколько это возможно, для небольших токов плавления, и боковая ширина W металлического контактного диска 18 или электрода 10 на передней стороне установлена в соответствии с силой тока закорачивания, таким образом, что пространственная протяженность закороченной области 21 не достигает внешней краевой области короткозамкнутого полупроводникового элемента 15. Для того, чтобы и далее предотвращать повреждение края, вызванное возможным перенапряжением, толщина W n-легированной внутренней области 7, определяющей способность к блокировке короткозамкнутого полупроводникового элемента 15, может быть выбрана таким образом, чтобы почти любой размер, где удельное сопротивление внутренней области 7 также соответственно адаптировано к желательному уровню способности к блокировке.
Таким образом, при коротком замыкании элемента 15, показанного на Фиг. 2, электрический включающий сигнал образован в случае неисправности, который прикладывают к электроду затвора 20 в центре 13 полупроводниковой подложки 16 посредством линии электропитания к соединению затвора G. Вследствие этого n-p-n-p структура 75 полупроводниковой подложки 16 является предварительно разрушенной, вследствие чего ток протекает между электродом 10 на передней стороне и электродом 11 на задней стороне, что приводит к плавлению 21 в токоподводящей области полупроводниковой подложки 16. В таком случае, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 15 находится в постоянном, нереверсируемом, низкоомном токоподводящем состоянии.
SV
EV
Токоподводящая способность n-легированной передней стороны эмиттерной структуры 17 гораздо более ограничена по сравнению с n-легированным с катодной стороны эмиттером 9 обычного тиристора 1, показанного на Фиг. 1, поскольку она определена отношением ширины W боковой эмиттерной структуры n-легированной передней стороны эмиттерной структуры 17 к общей ширине W поверхности, контактирующей посредством металлизации, или электрода 10 на передней стороне и контактного диска 18.
EV
Расположение n-легированной передней стороны эмиттерной структуры 17 вблизи центра 13 полупроводниковой подложки 16 поддерживает закороченную область 21 вблизи первоначального запуска и предотвращает выход плазмы из области полупроводниковой подложки 16, контактирующей с электродом 10 на передней стороне и контактным диском 18 и попадающей в радиально внешнюю краевую область. Структура примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 15, показанного на Фиг. 2, таким образом обеспечивает то, что замыкание 21 всегда остается внутри области, покрытой электродом 10 и контактным диском 18, т.е. в пределах ширины W электрода.
Фиг. 3 показывает вид в плане другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 22 в соответствии с данным изобретением с гребенчатой включающей структурой 23, На Фиг. 3, электрод 24 на передней стороне может быть виден, который приложен к передней стороне полупроводниковой подложки 25 с конфигурацией в соответствии с данным изобретением. Электрод затвора 26 сконфигурирован в качестве триггерной структуры, которая, как можно видеть из Фиг. 3, является радиально отделенной от электрода 24 на передней стороне, приложенной к полупроводниковой подложке 25 в центре 13 короткозамкнутого полупроводникового элемента 22. Как также видно из Фиг. 3, электрод затвора 26 в изображенном короткозамкнутом полупроводниковом элементе 22 имеет четыре триггерные структуры или гребенчатые затворы 27, которые вытянуты в радиальном направлении наружу от расположения центральной области, электрода затвора 26. Электрод 24 на передней стороне имеет углубления, соответствующие гребенчатым затворам 27, таким образом, что гребенчатые затворы 27 могут быть вытянуты в радиальном направлении наружу, отдельно от электрода 24. В соответствии с углублениями электрода 24, включающая структура 23, в этом случае эмиттерная структура, которая является электрически контактирующей посредством электрода 24, расположена ниже электрода 24 и по меньшей мере частично покрыта последним, и встроена в полупроводниковую подложку 25, имеющую протяжение, следующее форме электродов углубления.
SV
Эмиттерная структура 23 и ее протяжение обозначено на Фиг. 3 посредством контура электрода углубления, обозначенного широкими линиями. Ясным образом, ширина W боковой эмиттерной структуры таким образом соответствует по существу ширине контура, изображенного на Фиг. 3. В поперечном сечении, эмиттерная структура 23 может, например, быть сконфигурирована таким же образом, что и эмиттерная структура 17 на Фиг. 2, и также включать закорачивания 12. Однако, это не является обязательным требованием.
SV
Из Фиг. 3 очевидно, что эмиттерная структура 23 имеет, в поперечном направлении r, четыре гребенчатых затвора 28 включающей структуры, которые вытянуты в радиальном направлении наружу от остальной эмиттерной структуры 23 вблизи центра, т.е. от области эмиттерной структуры 23 вблизи центра. В примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 22, показанном на Фиг. 3, включающая или эмиттерная структура 23 сконфигурирована в линейной форме и таким образом, что следует контуру углублений электрода. Такая включающая структура 23 линейной формы может предпочтительно иметь ширину W боковой структуры (см. Фиг. 2) примерно 500 мкм. В результате, включающая или эмиттерная структура 23, показанная на Фиг. 3, сконфигурирована частично как периферийно замкнутая кольцевая структура и частично как периферическая полигональная структура (гребенчатые затворы 28 эмиттера), вытянутая в радиальном направлении наружу от кольцевой структуры.
Следует понимать, что гребенчатая структура включающей структуры 23 и соответствующая гребенчатая структура триггерной структуры 26, в этом случае электрод затвора 26, может, само собой разумеется, иметь многие другие возможные конструкции. Например, число гребенчатых затворов 28 включающей структуры или гребенчатых затворов 27 триггерной структуры не ограничено их числом, равным четырем, как показано на Фиг. 3. Больше или меньше гребенчатых затворов может быть предоставлено. Протяжение гребенчатых затворов 28 или 27 также не ограничивается прямолинейным протяжением примера варианта осуществления, проиллюстрированного на Фиг. 3. Протяжение может также быть искривлено, например. Кроме того, можно предположить, что от каждого гребенчатого затвора 28 или 27 одна или несколько ответвленных секций гребенчатого затвора могут дополнительно вытянуты из каждого гребенчатого затвора 28 или 27, показанных на Фиг. 3, и что таким образом образованы гребенчатые затворы, которые ответвлены один или несколько раз.
Очевидно из иллюстрирования Фиг. 3, что триггерная структура 26 имеет гребенчатые затворы 27 триггерной структуры, соответствующие, т.е. следующие форме или контуру гребенчатым затворам 28 включающей структуры. Вследствие одинакового расстояния, в этом случае, в особенности в поперечном направлении, между триггерной структурой 26 и включающей структурой 23, что создано по всему протяжению гребенчатой включающей структуры 23, этот вариант обеспечивает равномерный электрический эффект триггерной структуры 26 на включающую структуру 23.
SF
EV
Гребенчатая включающая структура 23 предоставляет основное преимущество, заключающееся в том, что включенная или приведенная в действие область короткозамкнутого полупроводникового элемента 22 может распределяться поперек большей периферии. Протяжение в боковом направлении гребенчатых затворов 28 включающей структуры от включающей структуры 23, расположенной вблизи центра, т.е. радиальная длина L гребенчатых затворов включающей структуры, предпочтительно выбирают таким образом, чтобы оно составляло менее чем W/2. В примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 22, показанного здесь, это также применяется к длине радиальных гребенчатых затворов 27 триггерной структуры. Эта мера помогает поддерживать область плавления 21 (см. Фиг. 2) на удалении, с одной стороны, от центра 13 полупроводниковой подложки 22 и таким образом от электрод затвора 26 и, с другой стороны, также на значительном удалении от радиально внешнего края короткозамкнутого полупроводникового элемента 22. Поскольку центральная область 13 в примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 22, показанного на Фиг. 3, не покрыта электродом 24 и поэтому также не контактирует или не покрыта толстым контактным диском 18 (Фиг. 2), плазма в центре 13 может быть направлена по линии электропитания к соединению затвора G и по металлической трубке в керамическую/пластиковую капсулу (не показано), повреждая капсулу. Это надежным образом предотвращено посредством примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 22, показанного на Фиг. 3, поскольку замыкание 21 (Фиг. 2) всегда приведено в действие внутри области эмиттерной структуры 23, покрытой электродом 24, в случае короткого замыкания.
SV
EV
Фиг. 4 показывает вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 29 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 30 и 31 и триггерной структурой 20 (электродом затвора). Как очевидно из Фиг. 4, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 29 имеет в полупроводниковом элементе 32 n-легированную включающую или эмиттерную структуру 30 на передней стороне, где ширина W боковой эмиттерной структуры по сравнению с шириной W бокового переднего электрода выбирают как являющуюся значительным образом меньшую, чем в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 15 на Фиг. 2. Также очевидно из Фиг. 4, что эмиттерная структура 30 в этом примере варианта осуществления не имеет каких-либо закорачиваний 12, как показано на Фиг. 2, что не является абсолютно необходимым, однако. Включающая или эмиттерная структура 30 может быть сконфигурирована как периферийно замкнутое кольцо и/или полигональная структура, которая окружает триггерьную структуру 20 при определенном радиальном расстоянии. Эмиттерная структура 30, на радиальной внутренней стороне электрода 10, обращенной к центру 13, также выступает немного из него, как уже было описано в связи с эмиттерной структурой 17 на Фиг. 2.
V
R
V
R
В дополнение к триггерной структуре 20, сформированной посредством электрода затвора 20 и расположенной в центре 13 полупроводниковой подложки 32, полупроводниковая подложка 32 также имеет вторую включающую структуру 31 в форме разделенной структуры 31, которая в этом примере варианта осуществления сконфигурирована в качестве периферийно замкнутой, кольцевой структуры диода включения (BOD). В зависимости от рабочего напряжения, присутствующего на электродных соединениях E и E, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 29 может также быть включен посредством разделенной структуры 31; в показанном примере варианта осуществления, при приложении с отрицательной полярностью к электроду 11 на задней стороне, противоположному электроду 10 на передней стороне. Кроме того, это дополнительно служит для избегания блокирующего повреждения в радиально внешней краевой области короткозамкнутого полупроводникового элемента 29 в случае непредсказуемого перенапряжения, присутствующего блокирующего повреждения на электродных соединениях E и E.
i
a
SR
R
R
V
R
V
R
Как очевидно из Фиг. 4, разделенная структура 31 расположена на стороне полупроводниковой подложки 32, противоположной эмиттерной структуре 30 на передней стороне, и таким образом создает включающую структуру 31 на задней стороне для короткозамкнутого полупроводникового элемента 29. В этом случае, уровень напряжения пробоя этой разделенной структуры регулируют таким образом, что он предполагает его наименьшую величину всей полупроводниковой подложки 32 определенно в месте, где она расположена, и таким образом надежным образом предотвращает разделение во внешней краевой области полупроводниковой подложки 32. Радиус кривизны p-n перехода, т.е. его геометрическое искривление, в области, обозначенной цифровым обозначением 33 на Фиг. 4, совместно с удельным сопротивлением и соотношением диаметров D (внутреннего диаметра) и D (внешнего диаметра) или шириной W боковой включающей структуры разделенной структуры 31, определяет уровень напряжения пробоя хорошо известным образом, как это описано в DE 42 15 378 C1, например. В случае, когда перенапряжение имеет место в направлении блокирования U (отрицательной полярности на соединении Eзаднего электрода), чрезмерное увеличение блокирующего тока, протекающего между основными соединениями E и E, создается в области 33 выше определенного напряжения. В этом случае, плотность тока достигает величин, таких высоких, что, в конечном счете, локальный канал плавления образован между двумя основными электродными соединениями E и E. Способность к блокировке n-p-n-p структуры нарушается, и ток закорачивания приводит к замыканию в области структуры 31 диода включения (BOD). Как правило, более высокие напряжения пробоя или очень высокие блокирующее напряжения, доходящие до интервала кВ, могут быть технически контролируемыми в значительной степени посредством разделенных структур типа разделенной структуры 31.
SR
ER
SR
ER
Поскольку разделенная структура 31 в примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 29, показанного на Фиг. 4, является включающей структурой на задней стороне, встроенной в базовую область 6 на задней стороне, к которой, в свою очередь, приложен электрод 11 на задней стороне, отношение ширины W боковой включающей структуры на задней стороне разделенной структуры 31 к ширине W бокового заднего электрода, для электрода 11 на задней стороне, должно также удовлетворять условию в соответствии с данным изобретением, W/W < 1, что является очевидным для короткозамкнутого полупроводникового элемента 29, показанного на Фиг. 4.
SR
SR
Как очевидно из Фиг. 4, ширина боковой включающей структуры W разделенной структуры 31 локализована при боковой зона базовой области 6, в которой геометрия p-n перехода, сформированного между этой базовой областью 6 и внутренней областью 7 значительно изменена по сравнению с геометрией остатка p-n перехода, т.е. внешней области p-n перехода, определенной шириной W боковой включающей структуры на задней стороне. В этом случае, следует понимать, в частности, что измененная геометрия этого p-n перехода в смысле данного изобретения присутствует лишь если, с большой вероятностью, это изменение не может быть приписано отклонению в надежности, связанной с производством, во время создания базовой области 6 и внутренней области 7, однако является результатом целевых действий.
Разделенная структура 31 короткозамкнутого полупроводникового элемента 29, показанная на Фиг. 4 имеет кольцевую форму, окружающую центр 13 полупроводниковой подложки 32 и, соответственно, является радиально расположенной от центра 13. В частности, разделенная структура или включающая структура 31 на задней стороне в примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 29, показанного на Фиг. 4, полностью покрыта электродом 10 на передней стороне и электродом 11 на задней стороне. Полное покрытие на передней и на задней стороне разделенной структуры 31 является выгодным в том, что выброс плазмы из полупроводниковой подложки 29 надежным образом предотвращен локального определения закорачивания в области вокруг разделенной структуры 31, покрытой на обеих сторонах электродами 10 и 11.
V
R
В принципе, однако, разделенная структура 31, функционирующая в качестве включающей структуры может также быть расположена в центре 13 полупроводниковой подложки 32, как также описано, например, в DE 42 15 378 C1. В таком случае, который не показан на Фиг. 4, разделенная структура 31 должна предпочтительно быть покрытой, как на передней стороне 5 полупроводниковой подложки 32, так и на задней стороне 4, посредством соответствующих электродов 10 и 11, для того, чтобы получить такой же эффект в отношении выброса плазмы, как описано выше. Другими словами, короткозамкнутый полупроводниковый элемент с по меньшей мере одной включающей структурой, расположенной в центре, в особенности разделенной структурой, сконфигурированной как включающая структура, не требует какой-либо триггерной структуры, расположенной на этом месте, такой как электрод затвора 20, с соединением затвора G, показанном на Фиг. 4. После того как разделенная структура 31 извлекает включающий сигнал из напряжения, присутствующего на электродных соединениях E и E, дополнительно поданный внешний включающий сигнал может не применяться.
При этом может быть необходимо, что разделенная структура 31, показанная на Фиг. 4 в качестве структуры диода включения (BOD), может также быть заменена любой другой разделенной структурой с подобным эффектом, хорошо известной, при условии, что, в качестве включающей структуры, она сконфигурирована, чтобы инициировать замыкание соответствующего короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с включающим сигналом, который, в случае разделенной структуры, интегрированной в полупроводниковую подложку, полностью всегда результирует из электрического напряжения, присутствующего на внешних электродах 10 и 11. Подобные другие разделенные структуры являются, например, разделенной структурой, имеющей защиту от импульсных перенапряжений (du/dt), как хорошо известно, или разделенной структурой, включающей защиту в отношении времени выключения при коммутации цепи посредством локального увеличения срока службы носителя, как это хорошо известно. Еще одна разделенная структура, которая является альтернативой разделенной структуры 31, будет описана ниже совместно с пояснением Фиг. 10 и 11.
V
R
SV
SR
EV
ER
EV
ER
SV
SR
SV
EV
SR
ER
V
R
Фиг. 5 показывает вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 34 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 35, 36 и двумя триггерными структурами 37, 38, Две включающие структуры 35 и 36 сконфигурированы каждая как n-легированная эмиттерная структура, которые соответственно встроены в базовую область 8 или 6 на передней стороне или задней стороне полупроводниковой подложки 39. Включающая или эмиттерная структуры 35, 36 могут быть сконфигурированы как периферийно замкнутое кольцо и/или полигональные структуры. Как ясно видно из Фиг. 5, две эмиттерные структуры 35 и 36 выступают каждая немного от радиального внутреннего края, который выступает к соответствующему центру 13, соответствующего электрода 10 или 10. Две триггерные структуры 37 и 38 сконфигурированы каждая в качестве электродов затвора 37, 38 посредством каждого соединения затвора G или G на передней или задней стороне, где передняя сторона электрода затвора 37 расположена в центре 13 базовой области на передней стороне 8, таким образом, чтобы электрически контактировать с ней, и электрод затвора 38 расположен в центре 13 базовой области на задней стороне 6. В примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 34, показанном на Фиг. 5, обе включающие структуры 35, 36 имеют одну и ту же ширину боковых включающих структур W или W, что, однако, не является обязательным требованием. В короткозамкнутом полупроводниковом элементе 34, ширина боковых электродов W и W на передней или на задней стороне электродов 10 и 11 также имеют один и тот же размер, который также не является обязательным требованием. Соответственно, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 34 имеет полностью симметричную структуру по отношению к вертикальному направлению. Ширины W и W боковых электродов могут быть значительным образом больше чем соответствующие ширины W или W боковой включающей структуры таким образом, что условия W/W < 1 и W/W < 1 также применяют в отношении этого короткозамкнутого полупроводникового элемента34, что, однако, не является обязательным требованием. Соответственно, короткозамкнутый полупроводниковый элемент 34 может быть включена как посредством электрического включающего сигнала, поданного к передней стороне соединения затвора G, так и посредством электрического включающего сигнала, поданного к задней стороне соединения затвора G.
Фиг. 6 показывает вид в вертикальном разрезе еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 76 в соответствии с данным изобретением. Полупроводниковый элемент 76 по существу соответствует структуре короткозамкнутого полупроводникового элемента 15, показанного на Фиг. 2, где полупроводниковый элемент 76 дополнительно имеет изоляционный слой 78 между электродом 10 на передней стороне и передней стороной 5 полупроводниковой подложки 77 или контактной поверхностью включающей/эмиттерной структуры 17. Является очевидным, что изоляционный слой 78 вытянут в радиальном направлении r через эту включающую структуру 17 и вытянут в окружном направлении вдоль окружности и вдоль, в радиальном направлении r внутрь, внутреннего края этого электрода 10. В данном случае, изоляционный слой 78 является слоем из диоксида кремния, образованного в термическом процессе во время изготовления полупроводниковой подложки. Он предпочтительно имеет толщину по меньшей мере 50 нм до самое большее 100 нм.
SR
Фиг. 7 показывает вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 45 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 30 и 46 и двумя триггерными структурами 20 и 47, В полупроводниковой подложке 48, встроена включающая структура 46 на задней стороне, с n-легированной эмиттерной структурой 46 с закорачиванием 12 и боковой включающей структурой на задней стороне шириной W, в базовую область 6 на задней стороне 6, смежной с задней стороной 4, и контактирующей электропроводным образом и полностью покрывающей электрод 11 на задней стороне. Включающая или эмиттерная структура 46 может быть сконфигурирована в виде периферийно замкнутого кольца и/или полигональной структуры. На задней стороне триггерная структура 47, которая сконфигурирована как разделенная структура, например, как структура диода включения (BOD), расположена в той же самой боковой области включающей структуры 46, однако смещена от нее в вертикальном направлении v. Как уже было разъяснено в соответствии с Фиг. 4, когда напряжения пробоя установленное для разделенной структуры 47, которое непосредственным образом зависит от электрического напряжения, которое присутствует на внешних электродах 10 и 11 и служит в качестве включающего сигнала, достигнуто или превышено, стадия, локально ограничивающая увеличение тока в области 33, применяется в примере короткозамкнутого полупроводникового элемента 45, показанного на Фиг. 7, для включения эмиттерной структуры 46 на задней стороне или для предварительного разрушения области 75 предварительного разрушения, показанной на Фиг. 2 или 6, посредством чего замыкание короткозамкнутого полупроводникового элемента 45 в конечном счете инициируется Предоставление эмиттерной структуры 46 в качестве включающей структуры, которая включена или предварительно разрушена посредством разделенной структуры 47, предоставляет преимущество боковой расширения закороченной области по сравнению с включающей структурой 31, показанной на Фиг. 4, которая сконфигурирована в качестве разделенной структуры, в которой канал плавления исходящий из разделенной структуры 31 по отношению к замыканию локально узко ограничен. Вследствие бокового расширения канала плавления, эмиттерная структура 46 способствует протеканию процесс замыкания более «мягким» образом. Вследствие уменьшенного сопротивления в отношении проводимости, область замыкания большей величины в поперечном сечении в полупроводниковой подложке 48 также делает возможным постоянную проводимость больших токов закорачивания при более низких потерях на электропроводность.
В виде (a), Фиг. 8 показывает первую электрическую схему примера варианта осуществления межсоединений короткозамкнутого полупроводникового элемента 15 от Фиг. 2, и в другом виде (b), электрическую схему другого примера варианта осуществления межсоединений короткозамкнутого полупроводникового элемента 15 от Фиг. 2.
V
На Фиг. 8(a), конденсатор C с емкостью, предварительно заданной в соответствии с предварительно заданной подводимой энергией, может быть виден, который предоставляет включающий сигнал в заряженном состоянии, где конденсатор C в данном случае может быть электрически соединен между электродом затвора 20 или соединением затвора G и электродом 10 на передней стороне или соединением E электрода посредством электронного переключателя 79. В этом случае, полупроводниковый переключатель 15 функционирует в качестве однонаправленного переключателя. Полупроводниковый переключатель 15 должен переносить ток лишь в единственном направлении; другое направление тока может быть обеспечено посредством диода с контактированием под давлением (не показано), расположенным антипараллельным образом к полупроводниковому переключателю 15, например.
На Фиг. 8(b), схема электрических соединений Фиг. 8(a) показана дважды, где обе схемы затем соединены антипараллельным образом. Таким образом, при применении двух полупроводниковых переключателей 15, которые являются, как таковые, однонаправленными, может быть создана структура, которая, в целом, является двунаправленной и в которой, предпочтительно, один узел, контролирующий затвор, (соответствует конденсатору C и электронному переключателю) соответственно размещен на каждом полупроводниковом переключателе 15. Двунаправленная конструкция или антипараллельное соединение двух полупроводниковых переключателей 15 могут таким образом переносить ток в обоих направлениях.
В качестве альтернативы, для двунаправленного антипараллельного соединения двух однонаправленных полупроводниковых переключателей 15, как показано на Фиг. 8(a), прямо двунаправленно функционирующий полупроводниковый переключатель может быть применен, например, полупроводниковый переключатель 34 от Фиг. 5. В любом случае, является предпочтительным, если оба однонаправленные полупроводниковые элементы или один двунаправленной полупроводниковый элемент размещены в корпусе.
Фиг. 8 дополнительно показывает сопротивление 80, которое представляет паразитное сопротивление или индуктивность в цепи электрода затвора. Чем меньше сопротивление, тем более интенсивный импульс тока или более интенсивный подвод энергии применимы для предварительного разрушения.
Фиг. 9 показывает вид в вертикальном разрезе еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 52 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 46 и 53 и двумя триггерными структурами 47 и 54, Включающая структура 46, которая уже была показана на Фиг. 7 и сконфигурирована в качестве эмиттерной структуры, и триггерная структура 47 на задней стороне, которая электрически функционально соединена посредством этого и сконфигурирована как разделенная структура, встроены в заднюю сторону полупроводниковой подложки 55. На передней стороне, включающая структура 53 на передней стороне 53, сконфигурированная как n-легированная эмиттерная структура, аналогичным образом встроена в базовую область 8 на передней стороне, смежной с передней стороной 5, и электрически контактирует посредством электрода 10 на передней стороне. Передняя сторона эмиттерной структуры 53 связана с передней стороной триггерной структуры 54, которая также сконфигурирована как разделенная структура и которая включает или предварительно разрушает эмиттерную структуру 53 в случае разделения. Способ действия комбинации эмиттерной структуры 53 на передней стороне с разделенной структурой 54 на передней стороне соответствует комбинации эмиттерной структуры 46 на задней стороне с разделенной структурой 47 на задней стороне, и он уже был пояснен в связи с описанием Фиг. 7. Обе включающие или эмиттерные структуры 46, 53 и обе триггерные структуры 47, 54 могут быть сконфигурированы, соответственно, как периферийно замкнутое кольцо и/или полигональные структуры.
Включающие или триггерные структуры 46, 53, 46, 54 короткозамкнутого полупроводникового элемента 52 могут быть расположены точным образом центрально, т.е. в соответствующем центре 13, без ограничения этим.
SR
ER
Фиг. 10 показывает вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 56 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 30 и 57 и триггерной структурой 20. Кроме того к включающей структуре 30 на передней стороне, известной из Фиг. 4, включающая структура 57 на задней стороне встроена в форме еще одной конфигурации разделенной структуры в полупроводниковую подложку 58. Ясным образом очевидно из Фиг. 10, в частности, что включающая структура 57 на задней стороне является локально ограниченной, в частности, локально ограниченной в радиальном направлении r, и таким образом имеет ширину W боковой структуры, которая значительно меньше, чем ширина W связанного бокового электрода 11 на задней стороне, как это имеет место в случае всех величин ширины боковых включающих структур, описанных в данном документе, по отношению к величинам ширины соответствующих боковых электродов соответствующих электродов короткозамкнутого полупроводникового элемента в соответствии с данным изобретением.
++
++
++
++
++
++
++
SR
Как дополнительно очевидно из Фиг. 10, базовая область 6 на задней стороне имеет плоскую p-область, которая обращена к задней стороне 4 и является высоко p-легированной по сравнению с область, обращенной к внутренней области 7. В боковой части, соответствующей ширине боковой включающей структуры W, n-область, которая является гораздо более высоко n-легированной по сравнению с n-легированной внутренней областью 7, и которая протянута во внутреннюю область 7 в вертикальном направлении v, встроена в обычно p-легированную зона 6 базовой области на задней стороне. n-область не достигает задней стороне 4 полупроводниковой подложки 58, к которой приложен электрод 11 на задней стороне, поскольку высоколегированная p-зона базовой области 6 разделяет введенную n-область от задней стороне 4, контактирующей посредством электрода 11. Концентрацию p-зоны базовой области 6 на задней стороне выбирают таким образом, чтобы она была выше, чем концентрация n-области, прерывающей p-зона базовой области 6 для того, чтобы предотвращать короткое замыкание между внутренней областью 7 и электродом 11 на задней стороне.
++
++
++
++
Напряжение пробоя может также быть установлено целевым образом для разделенной структуры 57, показанной на Фиг. 10, например посредством выбора концентрации легирования слабо n-легированной внутренней области 7 и/или высоколегированной n-области 57 и/или p-легированной базовой области 6, в особенности ее высоколегированной p-области, которая отделяет разделенную структуру 57 от задней стороны 4 полупроводниковой подложки 58, где напряжение пробоя разделенной структуры 57 уменьшает более высокую концентрацию ее n-области, и/или p-зону базовой области 6 выбирают как составляющее. Таким образом, напряжение пробоя в интервале значительно ниже 10 В вплоть до максимально возможной способности к блокировке полупроводниковой подложки 58 может быть установлено. Разделенные структуры типа разделенной структуры 57 являются с технической точки зрения в особенности выгодными в отношении установления сравнительно небольших блокирующих напряжений в интервале от нескольких десятков вольт до примерно 100 В.
-3
Фиг. 11, в каждом из видов (a), (b) и (c) показывает профиль концентрации на протяжении короткозамкнутого полупроводникового элемента 56 Фиг. 10 вдоль показанных в них линий профиля концентрации Na, Nb и Nc. Соответственно, Фиг. 11a показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Na, показанной на Фиг. 10, Фиг. 11b показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Nb, и Фиг. 11c показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Nc. В соответствующих профилях концентрации Фиг. 11a, 11b и 11c, глубина проникновения x в мкм соответствующей легирующей примеси нанесена на график вдоль соответствующей абсциссы. Ординаты каждая представляют концентрацию N на см для соответствующей легирующей примеси.
++
-3
-3
-3
Фиг. 11a показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Na, показанного на Фиг. 10, который вытянут от передней стороны 5 полупроводниковой подложки 58 через включающую или эмиттерную структуру30 на передней стороне и базовую область 8 на передней стороне во внутреннюю область 7. Начиная от x = 0, плоский профиль, т.е. профиль с низкой глубиной проникновения (в этом случае менее чем примерно 20 мкм), например, фосфор-легированной, n-эмиттерной структуры 30 с высокой концентрацией (вплоть до примерно 1E20 см) можно видеть на Фиг. 11a в форме пунктирной линии. За этим следует, с увлечением глубина проникновения x (от примерно 20 мкм до примерно 40 мкм), профиль концентрации p-базовой области 8, которая легирована бором, например, в форме непрерывной кривой. В короткозамкнутом полупроводниковом элементе 56, показанном на Фиг. 10, первой p-зоне базовой области 8, легированной бором, предшествует вторая p-зона базовой области 8, легированная алюминием (Al) со значительно более низкой концентрацией (например, между примерно 1E13 до примерно 1E15 см), как очевидно из профиля концентрации Фиг. 11a в соответствии с пунктирной кривой. Однако, этот Al-профиль в базовой области 8 не является обязательным требованием. Когда глубина проникновения x увеличивается дополнительно (в этом случае начиная от примерно 100 мкм) на протяжении профиля концентрации Фиг. 11a, базовая область 8 следует профилю слабо n-легированной внутренней области 7 с в основном постоянной концентрацией (в этом случае примерно 1E13 см).
++
-3
++
++
++
-
Фиг. 11b показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Nb, показанного на Фиг. 10, который вытянут от задней стороне 4 полупроводниковой подложки 58 через базовую область на задней стороне 6 и включающую разделенную структуру 57 на задней стороне во внутреннюю область 7. Вначале, Фиг. 11b показывает, начиная от x=0, очень плоский профиль, например, легированной бором p-зоны базовой области 6 с высокой концентрацией предпочтительно примерно 5E18 см и глубиной проникновения предпочтительно примерно 5 до 20 мкм в форме непрерывной кривой. За этим следует, посредством увеличения глубины проникновения x, профиль концентрации, например, n-включающей или разделенной структуры 57, легированной фосфором или мышьяком, которая показана на Фиг. 11b посредством пунктирной линии. Ясным образом очевидно из Фиг. 11b, что концентрация N высоколегированной n-разделенной структуры 57 значительно меньше, чем концентрация N p-зоны базовой области 6, предшествующей ей на задней стороне. Когда глубина проникновения x увеличивается дополнительно, профиль концентрации разделенной структуры 57 переходит в кривую слабо n-легированной внутренней области 7.
++
-3
-3
-3
-
Фиг. 11c показывает профиль концентрации вдоль линии профиля Nc, показанной на Фиг. 10, который вытянут от задней стороны 4 полупроводниковой подложки 58 через базовую область 6 на задней стороне во внутреннюю область 7. Вначале, Фиг. 11c показывает, начиная от x=0, очень плоский профиль, в этом случае легированной бором p-зоны базовой области 6 с высокой концентрацией предпочтительно примерно 5E18 см и глубиной проникновения предпочтительно примерно 5 до 20 мкм в форме непрерывной кривой. За эти следует, с увеличением глубины проникновения x, посредством профиля концентрации остатка p-легированной базовой области 6 со значительно более низкой концентрацией N (в этом случае менее чем 1E16 см), которая показана на Фиг. 11c пунктирной кривой. Перед этим, в направлении внутренней области 7, базовая область 6 на задней стороне, такая же, что и базовая область 8 на передней стороне (см. Фиг. 11a), также имеет слабо легированную алюминием (Al) p-зону базовой области 6 с концентрацией примерно 1E15 см при глубине проникновения x вплоть до примерно 100 мкм, как показано пунктирной кривой на Фиг. 11c. Однако эта Al-легированная p-зона базовой области 6 не является обязательным требованием. Опять же, за этой зоной базовой области 6 следует слабо n-легированная внутренняя область 7, как показано на Фиг. 11b.
Особенно предпочтительным является предоставление базовых областей 8 или 6 на передней и/или на задней стороне с глубиной проникновения или толщиной по меньшей мере 50 мкм, например, примерно 100 мкм, в области линий профиля концентрации Na и Nc, указанных на Фиг. 10, как также очевидно из Фиг. 11a и 11c.
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
-3
Как было уже указано по отношению к описанию Фиг. 10, регулируемое напряжения пробоя разделенной структуры 57 в направлении блокирования определено посредством дополнительно введенного количества донорных атомов, образующих n-разделенную структуру 57, показанную на Фиг. 10. Чем выше эта концентрация, тем ниже напряжения пробоя. Уровень концентрации p-области p-легированной базовой области 6 на задней стороне при переходе к n-разделенной структуре 57, а также концентрации p-профиля базовой области 6 при переходе по отношению к n-разделенной структуре 57 (см. Фиг. 11b) также определяет напряжение пробоя: чем более плоский градиент профиля концентрации при переходе от p-зоны базовой области 6 к n-области разделенной структуры 57, тем больше способность к блокировке, если условия не изменены иначе. После диффузии плоской, высоколегированной p-зоны базовой области 6, например, способность к блокировке разделенной структуры 57 может быть отрегулирована посредством приводного времени p-области, поскольку, когда приводное время увеличивается, градиент концентрации при переходе от p-зоны базовой области 6 к n-области разделенной структуры 57 становится более плоским, что увеличивает напряжения пробоя. Таким образом, очень плоский (с низкой глубиной проникновения x) и очень высоколегированный p-профиль базовой области 6 должен быть создан для очень малых напряжений пробоя разделенной структуры 57. Например, предполагаемое напряжение пробоя примерно 30 В таким образом приводит к средней концентрации n-области разделенной структуры 57 примерно 5E16 см.
-
-3
n
Способность к блокировке разделенной структуры 57 может быть отрегулирована в широком интервале. Это достигает своего предела, однако, если концентрация становится очень малой и подходит близко к концентрации слабо n-легированной внутренней области 7, которая, например, для высокоблокирующих полупроводниковых элементов, может иметь концентрацию N менее чем 1E14 см. В противоположность этому, напряжение пробоя разделенной структуры 57 может быть отрегулировано в значительной степени, ее способность к блокировке отличается очень ясным образом от максимально возможной способности к блокировке короткозамкнутого полупроводникового элемента 56, определенной толщиной W кремния, и концентрацией N слабо легированной внутренней областью 7, а именно, если это составляет менее чем 100 В, где требуемая способность к блокировке короткозамкнутого полупроводникового элемента 56 является тогда значительно выше, чем 1000 В, т.е. если отношение максимально возможной способности к блокировке короткозамкнутого полупроводникового элемента 56 к установленной способности к блокировке разделенной структуры 57 находится в интервале от примерно 50 до примерно 100.
Разделенная структура 57, описанная на Фиг. 10, может быть применена в качестве включающей структуры и/или триггерной структуры в короткозамкнутом полупроводниковом элементе в соответствии с данным изобретением таким же образом, что и другие разделенные структуры, описанные в данном документе. Включающая или разделенная структура 57 короткозамкнутого полупроводникового элемента 56 может быть сконфигурирована в виде периферийно замкнутого кольца и/или полигональной структуры.
++
++
++
Фиг. 12 показывает вид в вертикальном разрезе другого примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 59 в соответствии с данным изобретением с двумя включающими структурами 30 и 57 и двумя триггерными структурами 20 и 60, В полупроводниковой подложке 61, в дополнение к варианту осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 56, показанного на Фиг. 10, передняя сторона разделенной структуры, сконфигурированная как триггерная структура 60, расположена, в вертикальном направлении v, ниже передней стороны триггерной структуры 20, сконфигурированной как электрод затвора 20. Структурно, триггерная структура 60 имеет такую же конфигурацию, что и включающая структура на задней стороне 57, как очевидно из Фиг. 12. Для того, чтобы встроить разделенную структуру 60 в базовую область 8 на передней стороне, последняя, подобно базовой области 6 на задней стороне, разделена на высоколегированную плоскую p-область, обращенную к передней стороне 5, и общую p-область, обращенную к внутренней области 7, таким образом, что p-область, в вертикальном направлении v, расположена между электродом затвора 20 и n-областью 60 разделенной структуры. Эмиттерная структура 30 на передней стороне встроена в базовую область 8 на передней стороне, смежной с передней стороной 5, и электропроводным образом контактирует посредством электрода 10 на передней стороне.
Соответственно, в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 59, показанном на Фиг. 12, включающая структура 30 на передней стороне может быть включена как посредством электрического включающего сигнала, внешним образом поданного к соединению затвора G, так также и посредством триггерной структуры 60, если блокирующее напряжение, примененное при этом и определенное посредством основных электродов 10 и 11, превышает напряжение пробоя, предварительно заданное для разделенной структуры 60. В этом случае, ток разделения в разделенной структуре 60 увеличивается до такой степени, что он включает или предварительно разрушает включающую структуру 30, встроенную в ту же самую базовую область 8, что в конечном счете приводит к желательному замыканию короткозамкнутого полупроводникового элемента 59.
Как и в случае областей 75 предварительного разрушения между двумя полупроводниковыми переходами, показанными схематически на Фиг. 2 и 6, это должно быть понятно также для короткозамкнутого полупроводникового элемента 59 Фиг. 12, что предварительное разрушение включающей структуры 30 вызванное триггерными структурами 20 и/или 60 всегда происходит пространственно отделенным образом от соответствующей триггерной структуры 20 или 60 (в радиальном направлении более отдаленной наружу). Это обеспечивает то, что замыкание всегда происходит внутри области полупроводниковой подложки 61, покрытой (в частности, посредством прессования) соответствующим электродом (в данном случае 10). Для того, чтобы обеспечивать это, отпирающий ток, генерированный посредством соответствующей триггерной структуры 20 и/или 60 может необязательно быть дополнительно ограничен, например, посредством предоставления соответствующей области сопротивления для того, чтобы надежным образом предотвращать предварительное разрушение вследствие слишком высокого отпирающего тока в области затвора/электрода затвора 20 или центра 13.
В показанном на Фиг. 12 случае комбинации двух триггерных структур 20 и 60, расположенных в одной и той же базовой области (в этом случае базовой области 8 на передней стороне), следует понимать, что чувствительность к запуску или включению включающей структуры (в этом случае эмиттерной структуры 30), которая связана с этими двумя триггерными структурами 20 и 60 и расположена ниже их по потоку, и которая адаптирована к току включения, который может быть сделан доступным посредством структур 20 или 60, с наименьшим токов включения, который может быть сделан подходящим посредством триггерной структуры, являющейся определяющим фактором. Другими словами, вследствие наличия триггерной структуры, которая сконфигурирована как разделенная структура 60 и которая обычно подает токи включения лишь в интервале мА, в интервале значительным образом ниже 1 А, предпочтительно примерно 50 мА, включающая структура 30 в примере, показанном на Фиг. 12, сконструирована для минимального тока включения, исходя из чего включающая структура 30 надежным образом включена таким образом, что блокирующий ток, генерированный разделенной структурой 60 в случае разделения может надежным образом включать или предварительно разрушать включающая структура 30 без разрушения самой. Это может происходить, если чувствительность к запуску или включению включающей структуры 30 была выбрана таким образом, что является завышенной. В таком случае, эмиттерной структуры 30 может быть приведена в действие посредством включающего сигнала в интервале примерно 1 А, поданного посредством электрода затвора 20, однако разделенная структура 60, расположенная ниже электрод затвора 20 будет разрушена в данном способе, поскольку она будет перегружена данным током включения 1 А, введенным посредством электрода затвора 20. Поскольку триггерная структура 60 не расположена в области полупроводниковой подложки 61, покрытой электродом 10 и контактным диском 18, такое разрушение триггерной структуры 60 может приводить к выбросу плазмы из области непокрытого центра 13, который надежным образом предотвращен, однако, посредством вышеописанной конструкции включающей структуры 30 или ее чувствительности к включению в примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 59, показанном на Фиг. 12.
Если, например, по отношению к процессу, создание конфигурации разделенной структуры 60 для определенного уровня блокирующего напряжения (в особенности, например, для напряжений пробоя в интервале кВ) короткозамкнутого полупроводникового элемента 59, может быть осуществлено лишь посредством чрезвычайно больших технических усилий, или, если это было бы ненадежно, разделенная структура 31, как показано, например, на Фиг. 4, может быть применена вместо разделенной структуры 60 короткозамкнутого полупроводникового элемента 59, показанного на Фиг. 12. Как уже было пояснено здесь, эта разделенная структура 31 предоставляет особые преимущества для регулирования даже очень высоких блокирующих напряжений/напряжений пробоя вплоть до интервала кВ.
SV
UV
UV
Фиг. 13 показывает частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 62 в соответствии с данным изобретением с включающей структурой 63, который открыт в направлении вдоль окружности u полупроводниковой подложки и имеет по меньшей мере один сегмент 64 включающей структуры (кольцевой сегмент в данном случае), и триггерную структуру 20. Лишь базовая область 8 на передней стороне полупроводниковой подложки может быть видна в виде в плане Фиг. 13. Иллюстрация на Фиг. 13 не показывает электрод 10 на передней стороне, а лишь его радиальный внутренний край 65, для обеспечения возможности видеть включающую структуру 63, которая расположена ниже электрода 10 и сконфигурирована как эмиттерная структура. Из Фиг. 13 видно, что эмиттерная структура 63 или сегмент 64 эмиттерной структуры в этом примере варианта осуществления имеет радиальное расстояние от триггерной структуры или электрода затвора 20. Как также очевидно, включающая структура 63 не закрыта в направлении вдоль окружности u полупроводниковой подложки в этом случае, т.е. включающая структура 63 короткозамкнутого полупроводникового элемента 62, показанном на Фиг. 13, не имеет замкнутое кольцо и/или полигональную структуру. Сегмент 64 включающей структуры имеет ширину W боковой эмиттерной структуры и ширину W окружной эмиттерной структуры, вытянутой в направлении вдоль окружности. Ширина W окружной эмиттерной структуры меньше, чем периферийная ширина включающей структуры, которая соответствует замкнутому кольцу и/или полигональной включающей структуре, и таким образом окружному углу замкнутого кольца и/или полигональной включающей структуры 360 градусов.
SV
SV
SV
UV
SV
UV
В примере варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 62, показанном на Фиг. 13, ток включения для включения или предварительного разрушения включающей структуры 63 установлен до интервала примерно 2 А, предпочтительно между примерно 1 А и примерно 5 А. W может теперь быть выбрана таким образом, чтобы быть такой большой, что включающая структура 63 не вызывает каких-либо проблем по отношению к процессу, т.е. может быть реализована с достаточной шириной W. Если W выбрана таким образом, что является слишком малой, имеет место проблема, заключающаяся в том, что радиально внутренний край 65 не покрывает эмиттерную структуру 64, которая в этом случае является высоко n-легированной, с достаточной надежностью и точностью, где ширина W окружной структуры меньше критической в этом случае. Посредством примера варианта осуществления, показанного на Фиг. 13, сравнительно небольшие токи плавления могут быть реализованы особенно выгодным образом, вследствие размеров W и W, которые, по сравнению с замкнутым кольцом и/или полигональной структурой, являются сравнительно небольшими, где ток включения, требуемый для включения/предварительного разрушения включающей структуры 63 может достигать более высоких величин в интервале предпочтительно от примерно 1 А до примерно 5 А с преимуществами, уже описанными в данном документе.
Следует понимать, что короткозамкнутый полупроводниковый элемент 62, как изображено на Фиг. 13, может также иметь более чем одну включающую структуру 63, которые в таком случае распределены в направлении вдоль окружности u полупроводниковой подложки, предпочтительно равноотстоящим образом одна от другой, для того, чтобы получить периферическую, по существу симметричную конфигурацию такого короткозамкнутого полупроводникового элемента с преимуществами, уже описанными в данном документе.
Фиг. 14 показывает частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 66 в соответствии с данным изобретением с включающей структурой 63, уже показанной на Фиг. 13, который имеет по меньшей мере один сегмент 64 включающей структуры (кольцевой сегмент в данном случае), и триггерную структуру 20. Иллюстрация на Фиг. 14 не показывает электрод 10 на передней стороне, а лишь его радиальный внутренний край 65, для обеспечения возможности видеть включающую структуру 63, которая расположена ниже электрода 10 и сконфигурирована как эмиттерная структура.
--
-3
-3
Как очевидно из Фиг. 14, p-часть 67, которая имеет значительно более низкий уровень p-легирования по сравнению с обычно p-легированной частью базовой области и которая, по сравнению с остатком базовой области 8, создает значительно более высокое электрическое сопротивление, предоставлена в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 66 в p-легированной базовой области 8 на передней стороне, в которую встроена включающая структура 63. Концентрация легирующей примеси этой резистивной части 67 предпочтительно составляет от примерно 1E15 см до примерно 1E16 см при глубине проникновения предпочтительно от 60 до 120 мкм. Эта резистивная часть 67 имеет открытый канал 68, противоположный сегменту 64 включающей структуры, который сформирован посредством обычно легированного остатка p-зоны базовой области 8 и электрически соединяет сегмент 64 включающей структуры с триггерной структурой или электродом затвора 20 непосредственно посредством p-зоны базовой области 8.
Эффект варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 66, показанного на Фиг. 14, заключается в том, что, с одной стороны, очень небольшие токи плавления, результирующие в замыкание, могут быть реализованы посредством сегментной конфигурации включающей структуры 63, как это также имеет место в случае короткозамкнутого полупроводникового элемента 62, показанного на Фиг. 13, и, с другой стороны, ток включения, протекающий от триггерной структуры 20 к включающей структуре 63, направлен целевым образом на сегмент 64 включающей структуры для того, чтобы надежным образом включать его или разрушать его для инициирования замыкания, если это требуется. В результате, возможна целевая конструкцию короткозамкнутого полупроводникового элемента 66 с токами включения, которые, в противоположность тому, что имеет место в случае короткозамкнутого полупроводникового элемента 62, показанного на Фиг. 13, находятся в интервале мА, например, при примерно 150 мА.
В данном случае, канал 68 может иметь различные формы, например, также трапецеидальную форму, в которой канал 68 сводится на конус от триггерной структуры 20 по отношению к сегменту 64 включающей структуры, для того, чтобы достигнуть еще большего целевого управления током включения, протекающим через этот канал 68 на сегменте 64 включающей структуры, и таким образом поддерживать ток включения, протекающий вдоль сегмента включающей структуры 64 таким малым, насколько это возможно.
--
Фиг. 15 показывает вид в вертикальном разрезе короткозамкнутого полупроводникового элемента 66, показанного на Фиг. 14, вдоль линии разреза X-X, показанной на Фиг. 14. Очевидно, что полупроводниковой подложке 69, в особенности на передней стороны p-легированной базовой области 8, p-резистивная часть 67 вытянута в боковом направлении между триггерной структурой или электродом затвора 20 и внутренним краем 65 электрода 10 на передней стороне. Сегмент 64 включающей структуры не может быть виден в вертикальном сечении X-X.
Фиг. 16 показывает частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 70 в соответствии с данным изобретением, который по существу соответствует примеру варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 66, показанного на Фиг. 14, где сегмент 64 включающей структуры короткозамкнутого полупроводникового элемента 70 на Фиг. 16 электрически непосредственно соединен с триггерной структурой или электродом затвора 20 посредством шунтирующего резистора 71 в форме n-легированной (например, легированной фосфором) полосчатой области, расположенной в канале 68. Предпочтительно, ширина этого шунтирующего резистора 71 может быть установлена при примерно 55 мкм. Таким образом, требуемый ток включения для включения/предварительного разрушения включающей структуры 63 может быть увеличен, опять же незначительно, по сравнению с короткозамкнутым полупроводниковым элементом 66 Фиг. 14, например, до примерно 400 мА и предпочтительно до интервала от примерно 400 мА до примерно 1000 мА, с, в других отношениях, идентичными размерами.
Змеевидная форма шунтирующего резистора 71, показанного на Фиг. 16, делает возможным варьирование длины шунтирующего резистора 71 желательным образом с тем, чтобы тем самым регулировать ток включения практически произвольным образом в пределах вышеуказанного интервала. Длина шунтирующего резистора 71 змеевидной формы, показанного на Фиг. 16 внутри канала 68 может быть установлена до величины, например, в интервале вокруг примерно 200 мкм, т.е. от 150 мкм до примерно 250 мкм, например.
Посредством его радиально внутреннего конца, шунтирующий резистор 71 электрически непосредственно соединен с электродом затвора 20. В короткозамкнутом полупроводниковом элементе 70, показанном на Фиг. 16, противоположный радиально внешний конец шунтирующего резистора 71 направлен прямо в сегмент 64 эмиттерной структуры.
Вместо расположения в открытом канале 68, как показано на Фиг. 16, шунтирующий резистор 71 может также быть размещен поперек резистивной части 67. В этом случае, радиально внешний конец шунтирующего резистора 71 может быть электрически непосредственно быть соединенным с электродом 10 на передней стороне, например, на краю 65 электрода.
Фиг. 17 показывает частичный вид в плане еще одного примера варианта осуществления короткозамкнутого полупроводникового элемента 72 в соответствии с данным изобретением с включающей структурой 63, который открыт в направлении вдоль окружности u полупроводниковой подложки и имеет по меньшей мере один сегмент 64 включающей структуры (кольцевой сегмент в данном случае), и триггерную структуру 20. Иллюстрация на Фиг. 17 в основном соответствует иллюстрации на Фиг. 14, за исключением того, что в короткозамкнутом полупроводниковом элементе 72, показанном на Фиг. 17, n-легированная резистивная часть 73, на которую также делается ссылка как на пинч-резистор 73, введена в p-легированную базовую область 8 на передней стороне.
Фиг. 18 показывает вид в вертикальном разрезе короткозамкнутого полупроводникового элемента 72, показанного на Фиг. 17, вдоль линии разреза Y-Y, показанной на Фиг. 17. Очевидно в этом виде, что резистивная часть 73 сформирована посредством пинч-резистора, который, в качестве n-области, которая введена в полупроводниковую подложку 74, и особенно в базовую область 8 на передней стороне от передней стороны 5 и является смежной с последней, значительно уменьшает эффективное поперечное сечение проводимости базовой области 8 на передней стороне между триггерной структурой 20 и электродом 10 на передней стороне, посредством чего пинч-резистор 73 вызывает увеличение поверхностного удельного сопротивления в этой зоне базовой области 8. Эффекты этого увеличения сопротивления были уже описаны выше в отношении Фиг. 14 по 16.
Следует понимать, что варианты осуществления включающей структуры 63, описанной в связи с Фиг. 13 по 18, с индивидуальными сегментами 64 включающей структуры в комбинации с локальным увеличением сопротивления в базовой области 8 между триггерной структурой 20 и сегментом 64 включающей структуры, могут быть объединены любым образом со всеми другими включающими структурами и/или триггерными структурами, описанными в данном документе, включая таким образом дополнительные выгодные варианты осуществления данного изобретения, не показанные на Фигурах. Например, две включающие структуры, радиально расположенные на расстоянии одна от другой, который электрически изолированы одна от другой, могут быть предоставлены, например, по меньшей мере один сегмент 63 включающей структуры, как показано на Фиг. 13 по 18, который окружен гребенчатой включающей структурой, которая расположена радиально с более внешней стороны и замкнута в форме кольца и/или полигона, например, подобной той, что показана на Фиг. 3. Таким образом, закороченная область внутри области полупроводниковой подложки, покрытой электродами на передней и/или на задней стороне, которая создана после того, как короткозамкнутый полупроводниковый элемент был включен, может быть выгодным образом расширена в радиальном направлении, с преимуществами, уже описанными в данном документе.
Вышеописанный короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением не ограничен вариантами осуществления, описанными в данном документе, однако в каждом случае также включает варианты осуществления, имеющие такие же эффекты, которые приводят с технической точки зрения к практичным другим комбинациям особенностей короткозамкнутого полупроводникового элемента, описанных в данном документе. В частности, n-p-n последовательность слоев, которая является обратной p-n-p структуре полупроводниковой подложки, показанной в примерах вариантов осуществления, также возможна. В этом случае, слабо n-легированная внутренняя полупроводниковая область состоит из слабо p-легированной внутренней области, и каждая базовая область на передней и задней сторонах из n-легированного слоя, и т.д. Типы проводимости включающих структур, описанных в данном документе, также должны быть инвертированы в таком случае.
В предпочтительном варианте осуществления, короткозамкнутый полупроводниковый элемент в соответствии с данным изобретением применяют в качестве контактного устройства или устройства для защиты обслуживающего персонала, а также для защиты устройства.
Список цифровых обозначений:
1 - Тиристор предшествующего уровня техники
2 - Полупроводниковая подложка
3 - Центральная ось
4 - Задняя сторона
5 - Передняя сторона
6 - Задняя базовая область
7 - Внутренняя область
8 - Передняя базовая область
9 - Передняя сторона
10 - Передний электрод
11 - Задний электрод
12 - Закорачивание
13 - Центр на передней и задней стороне
14 - Электрод затвора
15 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
16 - Полупроводниковая подложка
17 - Включающая структура/эмиттерная структура на передней стороне
18 - Контактный диск на передней стороне
19 - Контактный диск на задней стороне
20 - Триггерная структура, электрод затвора
21 - Замыкание
22 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
23 - Гребенчатая включающая структура / эмиттерная структура
24 - Передний электрод
25 - Полупроводниковая подложка
26 - Триггерная структура, электрод затвора
27 - Вывод триггерной структуры / гребенчатый затвор
28 - Вывод гребенчатых затворов включающей структуры 23
29 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
30 - Включающая структура/эмиттерная структура на передней стороне
31 - Включающая структура на задней стороне / разделенная структура
32 - Полупроводниковая подложка
33 - Критический радиус кривизны
34 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
35 - Включающая структура/эмиттерная структура на передней стороне
36 - Включающая структура/эмиттерная структура на задней стороне
37 - Триггерная структура на передней стороне / электрод затвора
38 - Триггерная структура на задней стороне / электрод затвора
39 - Полупроводниковая подложка
40 -
41 -
42 -
43 -
44 -
45 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
46 - Включающая структура/эмиттерная структура на задней стороне
47 - Триггерная структура на задней стороне / разделенная структура
48 - Полупроводниковая подложка
49 -
50 -
51 -
52 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
53 - Включающая структура/эмиттерная структура на передней стороне
54 - Триггерная структура на передней стороне / разделенная структура
55 - Полупроводниковая подложка
56 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
57 - Включающая структура на задней стороне / разделенная структура
58- Полупроводниковая подложка
59 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
60 - Триггерная структура на передней стороне / разделенная структура
61 - Полупроводниковая подложка
62 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
63 - Включающая структура/эмиттерная структура на передней стороне
64 - Сегмент включающей структуры / эмиттерной структуры
65 - Радиально внутренний край
66 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
67 - Резистивная часть
68 - Открытый канал
69- Полупроводниковая подложка
70 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
71 - Шунтирующий резистор
72 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
73 - Резистивная часть / пинч-резистор
74- Полупроводниковая подложка
75 - Предварительное разрушение между первым и вторым полупроводниковыми переходами
76 - Короткозамкнутый полупроводниковый элемент
77- Полупроводниковая подложка
78 - Изоляционный слой
79 - Электрический переключатель
80 - Паразитное сопротивление или индуктивность в цепи затвора
A- Соединение анода
Al - Алюминий
C - Конденсатор
a
D - Внешний диаметр структуры диода включения (BOD)
a
D* - Внешний диаметр структуры диода включения (BOD)
i
D - Внутренний диаметр структуры диода включения (BOD)
i
D* - Внутренний диаметр структуры диода включения (BOD)
V
E - Соединение переднего электрода
R
E - Соединение заднего электрода
G - Соединение затвора
V
G - Соединение затвора на передней стороне
R
G - Соединение затвора на задней стороне
K - Катодное соединение
SF
L - Длина радиальных гребенчатых затворов включающей структуры
N - Концентрация легирующей примеси
Na - Линия профиля концентрации (a)
Nb - Линия профиля концентрации (b)
Nc - Линия профиля концентрации (c)
r - Радиальное/поперечное направление
R - Ограничивающее сопротивление
u - Направление вдоль окружности
v - Вертикальное direction
x - Глубина проникновения
E1
W - Ширина бокового электрода известного уровня техники
ER
W - Ширина бокового заднего электрода
EV
W - Ширина бокового переднего электрода
n
W - Толщина внутренней области
n1
W - Толщина внутренней области в соответствии с предшествующим уровнем техники
S1
W - Ширина бокового эмиттера в соответствии с предшествующим уровнем техники
SR
W - Ширина боковой включающей структуры на задней стороне
SV
W - Ширина боковой включающей структуры на передней стороне
V
WU - Ширина периферийной боковой включающей структуры на передней стороне
X-X - Линия разреза вертикального сечения
Y-Y - Линия разреза вертикального сечения