ФОТОТИРИСТОР С САМОЗАЩИТОЙ ОТ ПРОБОЯ

Полезная модель относится к конструкции полупроводниковых приборов на основе многослойных структур с чередующимися слоями р- и n-типа электропроводности (тиристоров, тиристоров с оптическим управлением, динисторов и др.) с элементами самозащиты от пробоя при: 1) перенапряжении в прямом направлении, 2) воздействии быстро нарастающего прямого напряжения со скоростью, превышающей критическую скорость.
Известна конструкция фототиристора с самозащитой от пробоя при перенапряжении в прямом направлении (патент Японии (В2) №60-16755, кл. H 01 L 29/74, публ. 27.04.85) на основе полупроводниковой структуры с двумя главными металлизированными поверхностями на ее противоположных сторонах, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, углубление в центре полупроводниковой структуры со стороны первого слоя, достигающее области пространственного заряда обратносмещенного р-n-перехода между вторым и третьим слоями. Участки второго слоя выполнены в виде секторов, которые делят первый слой на полоски, радиально расходящиеся непосредственно от углубления. Узкие канавки вскрывают общую металлизацию первого и второго слоев на продольных участках полосок первого слоя.
Первым недостатком конструкции является наличие высокопроводящего эквипотенциального слоя металлизации на радиально расходящихся от углубления в центре полупроводниковой пластины полосках первого слоя.
Следствием этого является:
- низкая скорость распространения включенного состояния прибора на первом этапе включения, обусловленная диффузионным механизмом движения электронно-дырочной плазмы во втором и третьем слоях вдоль полосок первого слоя;
- риск разрушения фототиристора вследствие локального перегрева области первоначального включения;
Вторым недостатком является отсутствие гальванической связи между полосками первого слоя непосредственно в окрестности углубления, что может быть причиной неравномерного распределения тока между полосками первого слоя.
Все это отрицательно влияет на надежность работы фототиристора.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является конструкция (патент Японии (В2), №62-52953 кл. H 01 L 29/74, опубл. 07.11.87) фототиристора с самозащитой от пробоя, выполненного на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированными между двумя металлизированными поверхностями, углубление в центре первого слоя, достигающее второго слоя, имеющего участки, выполненные в виде секторов, расположенных на равном расстоянии от углубления и разделяющие первый слой на полоски, радиально расходящиеся от участка этого же слоя вокруг углубления, причем сектора второго слоя выходят на ту же металлизированную поверхность, что и первый слой.
Недостатками данной конструкции является то, что она по-прежнему не дает решения проблемы увеличения скорости распространения включенного состояния вдоль полосок первого слоя, что сказывается на надежности прибора, не обладает функцией самозащиты от пробоя при воздействии быстро нарастающего прямого напряжения и имеет ограниченную фоточувствительность.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
1. Повышение надежности фототиристора.
2. Дополнительная функция самозащиты от пробоя при воздействии быстро нарастающего прямого напряжения со скоростью, превышающей критическую скорость.
3. Повышение чувствительности фототиристора к оптическому сигналу управления.
Технический результат в предлагаемой конструкции достигается тем, что в фототиристоре с самозащитой от пробоя, выполненном на основе многослойной полупроводниковой структуры, содержащей четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, сформированными между двумя металлизированными поверхностями, углубление в центре первого слоя, достигающее второго слоя, имеющего участки, выполненные в виде секторов, расположенные на равном расстоянии от углубления и разделяющие первый слой на полоски, радиально расходящиеся от участка этого же слоя вокруг углубления, причем сектора второго слоя выходят на ту же металлизированную поверхность, что и первый слой, участок первого слоя вокруг углубления с радиально расходящимися полосками свободен от металлизации,
а поверхности секторов второго слоя частично свободны от металлизации, гальванически связанной с металлизацией первого слоя.
Поверхность второго слоя в виде секторов полностью свободна от металлизации.
Признаками, отличающими предлагаемое техническое решение от прототипа, являются:
1. Отсутствие металлизации на участке первого слоя вокруг углубления в центре полупроводниковой структуры и радиально расходящихся от него полосок.
2. Поверхность секторов второго слоя частично свободна от металлизации, гальванически связанной с металлизацией первого слоя.
3. Полное отсутствие металлизации на секторах второго слоя.
Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.
Положительный эффект достигается за счет отсутствия металлизации на участке первого слоя вокруг углубления и радиально расходящихся полосках первого слоя, что увеличивает размеры области первоначального включения вследствие более равномерного прямого смещения р-n-перехода между первым и вторым слоями в радиальных направлениях от углубления в центре полупроводниковой структуры и, как следствие, создает условия для равномерной инжекции неосновных носителей заряда из первого слоя во второй, а так же увеличивает скорость распространения включенного состояния в указанных областях полупроводниковой структуры за счет ускоряющего действия электрического поля, возникающего при протекании тока из области первоначального включения в окрестности углубления вдоль полосок первого слоя и далее в основную часть полупроводниковой структуры фототиристора. Второй эффект вследствие отсутствия металлизации на радиально расходящихся полосках первого слоя состоит в том, что их конечные листовые омические сопротивления являются элементами выравнивания параллельных токов полосок. Все это приводит к повышению надежности прибора.
При отдалении границы металлизации секторов второго слоя от полосок первого слоя достигается управляемое снижение критической скорости нарастания прямого напряжения в области полосок полупроводниковой структуры относительно аналогичного параметра части полупроводниковой структуры под металлизацией. Это объясняется снижением доли емкостного тока обратносмещенного р-n-перехода между вторым и третьим слоями, отводимого из областей под полосками. В результате
повышается эффективность включения фототиристора в области полосок емкостным током, выполняющим функцию тока управления.
Дополнительное повышение чувствительности фототиристора к оптическому сигналу управления и эффективности использования оптической мощности излучателя достигается за счет добавочной составляющей тока из неметаллизированных участков секторов.
D
critОПB
Полное отсутствие металлизации секторов второго слоя дает максимальное снижение критической скорости нарастания прямого напряжения области первоначального включения (dU/dt) [В/мкс] и увеличение фоточувствительности.
На фиг.1 показан фрагмент полупроводниковой структуры фототиристора без металлизации участка первого слоя вокруг углубления с радиально расходящимися полосками.
Фиг.1a - вид полупроводниковой структуры в плане со стороны верхней металлизированной поверхности.
Фиг.1б - сечение полупроводниковой структуры по А-А.
Фиг.1в - сечение полупроводниковой структуры по Б-Б.
На фиг.2, 3, 4, 5 показаны фрагменты полупроводниковой структуры фототиристора предложенной конструкции с разньми вариантами металлизации участков второго слоя.
На фиг.6 изображен фрагмент полупроводниковой структуры фототиристора с участками второго слоя, полностью свободными от металлизации.
Фиг.2а, б, в; 3а, б, в; 4а, б, в; 5а, б, в; 6а, б, в - аналогичны фиг.1а, б, в.
Фиг.4г, 5г - сечение полупроводниковой структуры по В-В.
Фототиристор предложенной конструкции выполнен на основе многослойной полупроводниковой структуры, которая содержит четыре слоя с чередующимися типами электропроводности, где слой 1 - n-типа, слой 2 - р-типа, слой 3 - n-типа, слой 4 - р-типа. Данные слои оформированы между двумя металлизированными поверхностями 5 и 6. В центре первого слоя n-типа находится углубление 7, достигающее второго слоя р-типа. Второй слой имеет участки в виде секторов, которые равноудалены от углубления и делят первый слой на полоски. Эти полоски радиально расходятся на некотором расстоянии от углубления, т.е. от участка первого слоя, расположенного вокруг углубления. При этом слой 1 и сектора слоя 2 выходят на одну и ту же металлизированную поверхность 5. Слой 4 контактирует со второй металлизированной
поверхностью 6. Полоски первого слоя вместе с участком вокруг углубления свободны от металлизации.
В процессе работы прибора в режиме переключения по аноду вследствие перенапряжения действие самозащиты осуществляется следующим образом. При подаче положительного напряжения к металлизации 6 со стороны слоя 4 р-типа относительно металлизации со стороны слоя 1 n-типа в окрестности р-n-перехода между слоями 2 и 3 образуется объемный заряд. Геометрические параметры углубления 7 выбирают такими, чтобы граница области объемного заряда в слое 2 достигла дна углубления прежде, чем возникнет лавинный пробой в остальной части р-n-перехода. В этом режиме в области объемного заряда в окрестности углубления генерируется ток управления, включающий проводящий канал в окрестности углубления, и распространяющийся по структуре вдоль полосок слоя 1 далее в основную часть фототиристора. Таким образом исключается пробой прибора.
Аналогичный процесс включения происходит и при подводе оптического сигнала в область углубления и прилегающие к нему неметаллизированные участки полосок слоя 1 и секторов слоя 2.
Представленные варианты ранжированы по снижению критической скорости нарастания прямого напряжения области первоначального включения относительно аналогичного параметра остальной части полупроводниковой структуры фототиристора. Выбор варианта конструкции фототиристора, удовлетворяющего конкретным техническим требованиям, определяется комбинацией электрофизических и геометрических параметров полупроводниковой структуры в области расположения расходящихся полосок слоя 1 и разделяющих их секторов слоя 2 (уровень легирования слоев 1 и 2, длина и ширина радиально расходящихся полосок, расстояние металлизации секторов от полосок слоя 1, сопротивление участков, обеспечивающих гальваническую связь секторов с металлизированной поверхностью и др.).
На фиг.1 изображен фототиристор без металлизации участка первого n-слоя вокруг углубления 7 и полосок, расходящихся от него. Сектора второго р-слоя полностью металлизированы за исключением границы раздела с первым слоем вдоль полосок. Металлизация секторов гальванически связана с металлизацией 5 первого слоя. При быстром нарастании прямого напряжения емкостный ток из области слоя 2 под полосками слоя 1 отводится во внешнюю цепь через металлизацию на границе с полосками, не влияя на условия включения фототиристора.
На фиг.2 изображен фототиристор с секторами слоя 2, частично свободными от металлизации, гальванически связанной с металлизацией 5. Расстояние от полосок до металлизации секторов уменьшается по мере удаления от центра. В этом случае доля емкостного тока из области слоя 2 под полосками слоя 1 уменьшается вследствие роста сопротивления неметаллизированных участков секторов слоя 2.
На фиг.3 и 4 приведены варианты, когда удаление металлизации секторов второго слоя от полосок первого слоя максимально. Это приводит к увеличению емкостной составляющей тока в области полосок за счет перераспределяющего действия листового сопротивления секторов, что обеспечивает защитную функцию в режиме быстрого нарастания напряжения.
D
crit. ОПВ
Еще большее снижение (dU/dt) обеспечивает вариант прибора, когда сектора второго слоя полностью свободны от металлизации за исключением узких участков на периферии, гальванически связанных с металлизацией 5 слоя 1 посредством полосок слоя 2, сопротивление которых определяется их геометрией и уровнем легирования второго слоя (фиг.5). В этом случае утечка емкостного тока во внешнюю цепь обусловлена конечным сопротивлением полосок слоя 2 (сечение В-В).
D
crit. ОПВ
Эффект максимального снижения (dU/dt) дает техническое решение, показанное на фиг.6, когда сектора второго слоя гальванически развязаны с металлизацией 5 первого слоя.
Критерием выбора варианта конструкции фототиристора с самозащитой от пробоя должно стать выполнение в рабочем диапазоне температур условия
D
crit. ОПВ
D
crit. ОC
(dU/dt)<(dU/dt),
D
crit. ОПВ
где (dU/dt) [В/мкс] - критическая скорость нарастания прямого напряжения области первоначального включения,
D
crit. ОC
(dU/dt) [В/мкс] - критическая скорость нарастания прямого напряжения основной структуры.
D
crit. ОПВ
Под областью первоначального включения при воздействии (dU/dt)понимается участок полупроводниковой структуры фототиристора в пределах участка слоя 1 вокруг углубления 7 и радиально расходящихся полосок слоя 1.
Количество полосок первого слоя и разделяющих их секторов второго слоя в конструкции выпрямительного элемента фототиристора определяется конкретной задачей проектирования (чувствительность фотоокна, перегрузочная способность по току области первоначального включения и т.д.) и может составлять 1, 2 и более.
Предложенная конструкция фототиристора может быть использована как основа автономного прибора малой и средней мощности или как элемент конструкции более сложного прибора с многоступенчатым регенеративным управляющим электродом с функциями самозащиты от пробоя.
Заявляемые фототиристоры применяются в высоковольтных преобразовательных устройствах линий электропередач, в компенсаторах реактивной мощности, в высоковольтных электроприводах, в мощных импульсных генераторах и др. устройствах.