Силовой двухоперационный тиристор

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл. Н 01 ), 29/74 с присоединением заявки Мо Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытиИДата опубликования описания 05.05.79(54) СИЛОВОЙ ДВУХОПЕРАЦИОННЫЙ ТИРИСТОР 1Изобретение относится к полупроводниковой технике, а более конкретно к двухоперационным приборам, позволяющим включать цепь тока и преры"вать протекание тока.Известны двухоперационные тиристоры, выполненные на основе многослойной полупроводниковой структуры ) 11,Такие двухоперационные тиристорыпозволяют отключать ток до 20 А принапряжении,до 400 В и чувствительнык перегрузкам по току, что уменьшает надежность их работыНаиболее близким техническим решением является двухоперационныйтиристор, выполненный на основеполупроводниковой монокристаллической структуры, содержит два базовыхслоя и два эмиттерных слоя различного типа проводимости, один изэмиттерных слоев разделен областямиизоляции, а также два силовых иуправляющий электроды 21 . Этот прибор расчитан на прерывание тока,до 100 А при напряжении 1000 В. Требующийся для отключения ток управления составляет 20 А.Для данного прибора ток 100 А яв"ляется предельным и превышение его лишает прибор воэможности запиратьток, Прибор также не способен прерывать ток,в случае локального перегрева структуры вследствие неравномерного распределения тока по отдельнымчастям разделенного катодного змиттера. Повышенная плотность тока может возникнуть в отдельных частяхразделенного эмиттера, когда отдельные его части остаются в запертомсостоянии, например при недостаточной величине импульса управления илипри медленном нарастании тока силовой цепи. Кроме того, для данногоприбора требуется относительно большая величина тока управления, поскольку коэффициент усиления по токууправления не превышает пяти при отключении тока силовой цепи.Целью настоящего изобретения является увеличение отключаемого тока,уменьшение требуемой мощности управления и повышение надежности,Указанная цель достигается тем,что второй эмиттерный слой разделенна части областями ,изоляции, а вбазовых слоях образованы дополнительные области первого и второговида, имеющие геометрическую длинувдоль р-и перехода не меньшую, чемутроенная диффузионная длина неосновНых носителей в материале данной области;концентрация легирующей примеси В .областях первого вида не превышает концентрацию тех же примесей соответствующего базовогослоя, .концентрация металлической примеси в областях второго вида не менее 10 ф ат/см, к каждой области изоляции в эмиттер ных слоях примыкают область первого вида, второго вида и расположенная между ними область соответствующего базового слоя; к каждой части эмиттерных слоев примыкает соответствующая область базы, области первого и, второго вида одного базового слоя . примыкают к противоположным областяМ, второго базового слоями примыкающие к областямизоляции и примыкающие к частям эмиттерных слоев основные области различных базовых слоев при мыкают друг к другу; электрод управления подключен, по крайней "мере, к одной основной области базового слоя, примыкающей к области изоляции в "эмиттерном слоеОсновные преимущества предлагаемого прибора определяются следующими особенностями конструкции. Увеличение рабочего и отключаемого тока достигается за счет разделения базовых и эмиттерных слоев на отдельныечасти с обеспечением равномерного распределения тока по ним. Дпя повышения мощности прибора достаточноувеличить площадь структуры и количество укаэанных частей. Уменьшение требуемой мощности управлениядостигается за счет каскадногосоединения, частей, при которомток данной отпертой части обеспечивает поддержание отпертого состояния следующей части. Поэтому для отпирания и запирания прибора достаточен сигнал, обеспечивающий отпира-.ние или запирание только однойчасти структуры.Повышение надежности обеспечивается наличием только одностороннейсвязи между частями структуры (двусторонняя регенеративная связь .отсутствует), При этом нахождение вотпертом состоянии одной части структуры (или в запертом состоянии),обеспечивает отпертое (или запертое) состояние всего при 6 ора. Яа чертеже показано сечение части структуры двухоперационного тиристораСиловой двухоперационный тиристор выполнен на основе четырехслойнойполупроводниковой структуры 1, содержащей базовый слой 2 р- типа;: . проводнмости и базовый слой 3 п- типа проводимостй, эмиттерный слой катодный 4 п- типапроводимости и эмиттерный слой анодный 5 р- типа проводимости, п-р переход б, р-п переход 7, п-р переход 8. Слои струк 61658туры разделены на части - 9 - 11(слой 4), области 12-17 (слой 2),области 18-23 (слой 3), части 2426 (слой 5) ., Между областями каждого базового слоя расположены поочередно области первого вида 27-31,ограничивающие,. протекание носителейзаряда до уровня, не вызывающегорегенеративного усиления тока инжекции прилегающего эмиттерного слоя,и области второго вида 32-36, обес печивающие электрические соединенияи допускающие протекание носителейзаряда только одного знака.Области базового слоя 2 черезодну 13, 15 и 17 соединены через 5 части 9, 10, 11 эмиттерного слоя 4и инжектирующие контакты 37-39 с силовым электродом (катодом) 40, аобласти базового слоя 3 также черезодну 18, 20, 22 соединены через час ти 24, 25, 26 эмиттерного слоя 5 иинжектирующие контакты 41-43 с силовым электродом (анодом) 44.Остальные областибазовых слоев иобласти " первого и второго видаизолированй от силовых электродов40 и 44 областями изоляции 45-50 вэмиттерных слоях. Соединенные ссиловым электродом 40 области 13,15 и 17 базового слоя 2 прилегают кизолированным от силового электрода44 областям 19, 21, 23 базового слоя3 и наоборот соединенные с силовымэлектродом 44 области 18, 20 и 22.слоя 3 прилегают к изолированнымот силового электрода 40 областям12,14 и 16 базового слоя 2Области первого вцда 27-31 примыкаютк областям второго вида 32-36.Электрод управления 51 подключенк изолированной от силового электрода 40 40:области 12 базового слоя. Непоказанная на чертеже остальнаячасть структуры 1 выполнена аналогичным образом.Работа прибора происходит следую щим образом;При наличии положительного напряжения на аноде 44 и отрицательного .на катоде 40 на переходе 7 образуется запорный слой. Послеподачи на электрод управления 51положительного по отношению к катоду напряжения от электрода 51 про ходит ток через область второго вида 32 к части 9 катодного эмиттера 4Ийжектированные последним электроныпоступают также и к участку р-п перехода 7 меМду областями 13 и 19базовых слоев, увлекаются полем слояобъемного заряда в базовую область - . п- типа й через область второго вида 60 35 достигают части 25 анодного эмит-.терного слоя. Дырки, инжектируемыечастью 25, вследствие протекания указанного электронного тока проходятчерез участок и-р перехода 7 между 65 областями 20 и 14 и вызывают протеканне тока в области второго вида ЗЗ,который обуславливает инжекциюэлектронов из следующей части катодного эмиттера 10. В свою очередь этот электронный ток проходит черезучасток перехода 7 между областями15 и 21 к области второго вида 36, бдостигая следующей части 26 анодногоэмиттера, ток инжекции которого передается на последующие части структуры. При величине тока носителейзаряда, проходящего через участок Оп-р перехода 7, характеризуемой коэффициентом Ы0,5 по отношению к токусоответствующей части эмиттерного слоя, процесс распространяется на все части структуры и тиристор переходит в отпертое состояние.Если части структуры соединеныв замкнутую кольцевую цепь, то токпоследней части структуры поддерживает отпертое состояние первой части (к которой подведен электродуправления) и управляющий сигнал может быть снят при сохранении отпертого состояния прибора. Если науправляющий электрод при отпертомсостоянии прибора подать отрицательный импульс напряжения, то носителизаряда, инжектируемые змиттером первой части структуры за счет тока последней части, будут экстрагироваться током электрода управления и 30перестанут поступать на электрическое соединение с последующей частью, что в свою очередь вызовет прекращение инжекций эмиттера следующей части и запирание ее, а эа ней и всех ос тальных частей.Если участки структуры соединеныв разомкнутую последовательную цепь, т.е, части структуры,к которым прикладывается сигнал управления не 40 имеют электрической связи с предшествующими частями структуры, то тогда требуется приложение сигнала управления в течение всего времени, когда требуется сохранение отпертого состояния прибора. Запирание прибора достигается прекращением тока управляющего сигнала.Для достижения большего быстродействия прибора и повышения егостойкости в отношении скорости нарастания тока силовой цепи при отпирании прибора, электроды управления могут располагаться не на одной, а на нескольких областях одного или обоих базовых слоев. . %указанные области первого вида могут быть образованы путем введения в полупроводниковый материал данного базового слбя примесей, создающих противоположный тип проводимости и образоваиия п-р-п или р-и-р переходов путем протравливания толщи материала данного слоя и введения диэлектрических перегородок или из полупроводникового материала данного слоя при геометрической длине области не менее, чем устроенная диффузионная длина неосновных носителей заряда в материале данного слоя. Уменьшение диффузионной длины может бытьвыполнено с помощью любого известного в полупроводниковой технологииметода, например радиационным облучением, допированием, термообработкои.Области второго вида могут бытьобразованы как диффузией металлических примесей, так и металлическими слоями гребенчатой формы,простирающимисяпо поверхности базо"вых слоев или поперечными металлическими соединениями в толще базы,Формула изобретения.Силовой двухоперационный тиристорвыполненный на основе полупроводниковой монокристаллической структуры, содержащей два базовых слоя, идва эмиттерных слоя различного типапроводимости, один из эмиттерныхслоев разделен областями изоляции,с двумя силовыми и управляющим электродами, о тл и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью увеличения отключаемого тока, уменьшения требуемоймощности управления и повышениянадежности, второй эмиттерный слойразделен на части областями изоляции, а в базовых слоях образованыдополнительные области первого ивторого вида, имеющие геометрическуюдлину вдоль р-п перехода не меньшую,чем утроенная диффузионная длина неосновных носителей в материале даннойобласти, концентрация легирующей примеси в областях первого вида не превьыает концентрацию тех же примесей соответствующего баэового слоя, концентрация металлической примеси в областях второго вида не менее 10 ат/см;э,к каждой области изоляции в эмиттерных слоях примыкают область первоговида, второго вида и расположеннаямежду ними область соответствующегобазового слоями к каждой части эмиттерных слоев примыкает соответствующая область базы, области первого ивторого вида одного базового слояпримыкают к противоположным областямвторого базового слоя; примыкающиек областям изоляции и примыкающиек частям эмиттерных слоев основныеобласти различных базовых слоев примыкают друг к другу, электрод управления подключен, по крайней мере, кодной основной области, базового слоя,приьикающей к области изоляции в эмиттерном слое.Источники информации,.принятыево внимание при экспертизе1. Патент СШа Р 3 699 406,кл. 317-235, 1972.2. Патент США Р 3 609 476,кл. 317-235 Я, 1969.Г И ФЯ 22Я 2 б г г 21 Заказ 2494/57 Тираж 922 Подписное ЦИИИПИ Государственного комитета ССпо делам изобретений и открытий Москва ЖРаушская наб. д,45 О Филиа ППП фПатент, г.ужгород,ул.Проектная Составитель О,Федюкинактор А;Абрамов Техоед С.Мигай Корректор М.Пожо