Тиристор

Тиристор на основе кремниевой многослойной p-n-p-n⁺ структуры, снабженной распределенными по площади структуры шунтами в виде цилиндров с проводимостью р-типа в эмиттерном слое n⁺-типа проводимости, причем шунты расположены так, что в поперечном сечении линии, проведенные через их центры, образуют равносторонние треугольники, отличающийся тем, что, с целью повышения dU/dt-стойкости, уменьшения времени выключения, времени включения и прямого падения напряжения путем оптимизации шунтировки, расстояния между шунтами D и диаметры шунтов D_ш выбраны удовлетворяющими условиям:
D = (A_{1 п}+A₂) K
D_ш 0,01 ^oC 0,03 (см)
для низкочастотных тиристоров,
где К (0,9 1,1) безразмерный коэффициент;
А₁ 3,67 10^-4 Ом^-1;
А₂ 0,18 см;
_п удельное сопротивление исходной кремниевой пластины, и
D = (B₁ ²_п-B_{2 и}+B₃) K;
D/D_ш 5 7
для быстродействующих тиристоров,
где К (0,9 1,1) безразмерный коэффициент;
В₁ 2,06 10^-6 Ом^-2 см^-1;
В₂ 0,43 10^-3 Ом^-1;
В₃ 0,077 см.

Изобретение относится к области силового полупроводникового приборостроения, а именно к конструкции тиристора.
Известен тиристор на основе полупроводниковой структуры с четырьмя слоями чередующегося типа проводимости, у которого один из внешних слоев служит эмиттером, а соседний внутренний слой базой, с шунтированным эмиттером и, по крайней мере, с одним управляющим электродом. При этом несколько шунтов расположены на каждом из нескольких лучей, исходящих из управляющего электрода. Шунты в таком тиристоре расположены в точках пересечения этих лучей с окружностями, центр которых лежит на поверхности управляющего электрода. Если расстояние между соседними лучами становится больше, чем заданное минимальное расстояние то шунты располагают на лучах, лежащих посередине между названными выше лучами. Расстояние между шунтами на одном и том же луче равны. Однако в данном решении не говорится, каким образом, следует выбирать минимальное расстояние а и как величина а связана с электрическими параметрами структуры, например, с удельным сопротивлением n-базы _n. Кроме того, нет анализа влияния величины а на прямое падение напряжения. Это особенно важно для быстродействующих тиристоров, для которых обычно минимальное время выключения _q (2-3) _p, где _p время жизни дырок в n-базе. Если величина а выбрана меньше некоторой предельной допустимой величины, зависящей от удельного сопротивления кремния в n-базе, то у такого тиристора будет повышенное прямое падение напряжения.
Известен тиристор на основе многослойной p-n-p-n⁺-структуры, снабженный распределенными по площади структуры шунтами в виде цилиндров с проводимостью р-типа в эмиттерном слое n⁺-типа проводимости, причем шунты расположены так, что в поперечном сечении линии, проведенные через их центры, образуют равносторонние треугольники.
Однако не указаны зависимости, как выбрать расстояние между шунтами D и диаметром шунтов D_ш, которые обеспечивают оптимальное сочетание таких параметров как время включения, время выключения тиристора, dU/dt-стойкость, и прямое падение напряжения.
Целью изобретения является повышение dU/dt-стойкости, уменьшение времен включения для низкочастотных тиристоров, уменьшение времени выключения, времени включения и снижение прямого падения напряжения для быстродействующих тиристоров.
Поставленная цель достигается тем, что в тиристоре на основе многослойной p-n-p-n⁺-структуры, снабженной распределенными по площади структуры шунтами в виде цилиндров с проводимостью p-типа в эмиттерном слое n⁺-типа проводимости, причем шунты расположены так, что в поперечном сечении линии, проведенные через их центры, образуют равносторонние треугольники, расстояние между шунтами D и диаметры шунтов D_ш выбраны в зависимости от удельного сопротивления исходной кремниевой пластины _и в соответствии с соотношениями:
D=(A_{1 и}+A₂) K, (1)
при этом
D_ш 0,01-0,03 (см) (2)
для низкочастотных тиристоров
D=(B₁ ²_и-B_{2 и}+B₃) K (см) (3)
при этом
(4)
для быстродействующих тиристоров,
где А₁ 3,67 10⁴Ом^-1,
A₂ 0,18 см;
B₁ 2,06 10⁶ Ом^-2 см^-1,
B₂ 0,43 10^-3Ом^-1;
B₃0,077 см;
D расстояние между шунтами;
D_ш диаметр шунта;
_и удельное сопротивление исходной кремниевой пластины;
К 0,9-1,1- безразмерный коэффициент, выбираемый, исходя из разброса параметров исходного кремния и технологических параметров.
На фиг.1 изображена часть тиристорной структуры, не примыкающей к областям управляющего электрода и фаски; на фиг.2 изображена часть эмиттера с шунтами; на фиг.3 график расчета оптимальной шунтировки.
Тиристор представляет собой полупроводниковую структуру, которая состоит из областей n⁺-эмиттера 1, р-базы 2, n-базы 3, р⁺-эмиттера 4. Со стороны n-эмиттера 1 расположен катодный электрод 5,со стороны р-эмиттера - анодный электрод 6. Катодный электрод 5 электрически соединен с областью а-эмиттера 1, и через шунты 7 с областью р-базы 2.
Шунты 7 (фиг.2) цилиндрической формы представляют собой выход р-базы 2 сквозь n⁺-эмиттерный слой 1 к катодному электроду 5 и расположены в вершинах равностороннего треугольника в катодном эмиттерном переходе. Расстояние между шунтами D зависит от удельного сопротивления кремниевой пластины, из которой изготовлена структура и увеличивается с ростом _n
При приложении возрастающего анодного напряжения, благодаря наличию емкости центрального p-n-перехода, через тиристор протекает ток смещения в направлении области n⁺-эмиттера 1. Часть этого тока течет к n⁺-р-эмиттерному переходу, вызывая инжекцию электронов, а другая часть тока протекает к контактному электроду 5 через шунты 7. Таким образом, наличие шунтов приводит к уменьшению доли электронов, инжектированных из n-эмиттера в р-базу 2 и, следовательно, возрастанию dU/dt-стойкости тиристора. Наличие шунтировки приводит также к уменьшению времени выключения. С другой стороны, снижение доли тока инжекции приводит к затягиванию процесса включения, а увеличение плотности шунтировки к росту прямого падения напряжения.
Оптимальное расстояние между шунтами в приведенных ниже примерах рассчитано на ЭВМ. Результаты расчетов представлены на фиг.3 в виде кривых и аппроксимированы математическими выражениями (1) и (2). Расчеты проводились для тиристоров с типичными значениями глубины центрального перехода X_j 80-100 мкм, ширины р-базы W_p 60-80 мкм и листового сопротивления р-базы _p/W_p 100-500 Ом. При этом удельное сопротивление исходных кремниевых пластин находится в диапазоне 80-350 Ом см.
Для низкочастотных тиристоров время выключения не является критическим параметром. Однако к тиристорам большого диаметра (50-100 мм) предъявляются определенные требования по времени включения. Кроме того, низкочастотные тиристоры должны обладать высокой dU/dt-стойкостью.
Как известно, скорость распространения включенного состояния уменьшается с ростом плотности шунтировки. С другой стороны dU/dt-стойкость растет с увеличением плотности шунтировки. Таким образом, для низкочастотных высоковольтных тиристоров имеется некоторая оптимальная плотность шунтировки.
Как отмечалось выше, с ростом _и растет Q_кр. Поэтому, оптимальное расстояние между шунтами D увеличивается с ростом _и Кривая 8 на фиг.3 относится к низкочастотным высоковольтным тиристорам. Она построена из условия обеспечения высокой dU/dt-стойкости (не менее 3000 В/мкм). Точки, лежащие выше кривой 8 имеют слишком большие расстояния между шунтами, что приведет к снижению dU/dt-стойкости. Если же выбирать расстояние ниже кривой 8 то это приведет к увеличению времени отключения с сохранением высокой dU/dt-стойкости.
Диаметр шунтов D_ш лежит в интервале 100-300 мкм. Анализ влияния D_ш на величину критического заряда включения Q_кр показывает, что в указанном диапазоне параметров размер шунтов оказывает слабое влияние на Q_кр. Поэтому выбор D_ш в указанном выше диапазоне слабо влияет на характеристики низкочастотного тиристора.
Для быстродействующих тиристоров время выключения является важным параметром. Время выключения можно существенно уменьшить, если увеличить плотность шунтировки. Однако, при этом растет плотность тока удержания I_уд. При времени выключения _q (2-3) _p, где _p время жизни дырок в n-базе, будет выполняться соотношение . Дальнейшее увеличение плотности шунтировки приведет к заметному росту прямого падения напряжения.
Кривая 9 рассчитана для быстродействующих тиристоров, для которых выполняется соотношение _q (2-3) _p, (dU/dt)_крит для 9 всегда выше 3000 В/мкс. Точки, лежащие ниже кривой 9, имеют меньше расстояние между шунтами, что приводит к росту прямого падения напряжения и снижению скорости включения.
Увеличение расстояния между шунтами приведет к росту времени выключения.
Проведенный анализ влияния диаметра шунта D_ш на I_уд и Q_кр показал, что D/D_ш должно удовлетворять соотношению D/D_ш 5-7. При этом Q_кр и I_уд будут меняться не более чем на 30% что не может в этих пределах заметно повлиять на время выключения и прямое падение напряжения.
В тех случаях, когда не является необходимым получение минимального _q (для тиристоров среднего быстродействия), параметры шунтировки рекомендуется выбирать в области между кривыми 8 и 9.
Примеры исполнения.
Рассмотрим типичный силовой низкочастотный тиристор, у которого U_повт 4 Вт, толщины слоев активных областей составляют соответственно 20 мкм, 80 мкм, 490 мкм, 100 мкм. Поверхностная концентрация примеси алюминия равна 10¹⁶ см^-3, примеси бора 5 10¹⁷cм^-3, примеси фосфора 10²⁰см^-3.
Концентрация в слое 3 (n-база) составляла 2,2 10³см^-3, а соответственно удельное сопротивление кремния _и 140 Ом см. Время жизни дырок в n-базе 40 мкс. Диаметр шунтов 7 D_ш был равен 0,02 см. В соответствии с кривой 8 фиг.3 оптимальное расстояние между шунтами для этого тиристора равно D 0,230 см.
Для быстродействующего тиристора, изготовленного на кремнии с _n 140 Ом см и аналогичными параметрами слоев, в соответствии с кривой 9 фиг.3 оптимальное расстояние между шунтами составляет 0,06 см. Диаметр шунтов из соотношения (4) выбираем 100 мкм.
Для сравнения рассмотрим высоковольтные быстродействующие тиристоры Т453-800 и Т453-630. У этих приборов n-база имеет удельное сопротивление _и 130 Ом см. Расстояние между центрами шунтов D 0,15 см, диаметры шунтов D_ш 0,03 см. Сравнивая эти данные с фиг.3 (кривая 9), которая соответствует соотношению (2) можно видеть, что расстояние между шунтами D выбрано не оптимально. Оптимальное расстояние равно D 0,06-0,065 см, при этом диаметр шунтов будет равен 0,01 см (исходя из соотношения (2)). В этом случае существенно уменьшается время выключения (на 30-35%) без ухудшения прямого падения, dU/dt-стойкость при этом остается высокой.
С учетом разброса параметров кремния и структуры тиристора, оптимальное расстояние между шунтами определяются с точностью до 10%
Использование: силовые полупроводниковые приборы, а именно конструкции тиристора. Сущность изобретения: тиристоры на основе p-n-p-n-структуры снабжены распределенной шунтировкой в виде цилиндров в эмиттерном слое, расположенных в вершинах равносторонних треугольников. Расстояние между шунтами выбраны в зависимости от удельного сопротивления исходной кремниевой пластины и подчиняются определенным условиям. Диаметры шунтов также удовлетворяют определенным условиям. 3 ил.