Способ переключения полупроводникового прибора

/ ОП ИСАН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союэ СоветскимиСоцналнстнческнкРеспублик) Заявлено 301078 (21) 2 б 78407/18-25 513 М. Кп. Н 01 1. 31/1 б с присоединением заявки М дарственный к СССР делам нзоб и открыти(23) Приоритет -Опубликова Дата опубл ретенй 3 УДК 621. 3827) Лвторыизобретени в,71) Заявител зико-технический институт им. Л,ф. Иоф 54) СПОСОБ ПЕРЕКЛО ИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГОИБОРЛ ой широкой существляым процес- ктированно 5 Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании мощных коммутаторов наносекундного диапазона.Широко известен способ переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим Рп -переходом, например тиристора и транзистора, у которых блокирующий коллекторный ри -переход образован узким сильнолегированным слоем Р-типа и широкой слаболегированной базой п-типа, заключающийся в том, что переключение из блокирующего в проводящее состояние производят путем освещения при" бора импульсом света, направленным перпендикулярно коллекторному Ри -переходу со стороны сильнолегированного слоя 1, Длина волны света обычно,выбирается такой, чтобы практически весь свет поглощался в узком сильнолегированном слое. В этом случае весь фототок в тиристоре, например, является. управляющим током составляющего транзистора с узкой базой. Поэтому для инициирования переключения требуется очень малая энергия светового импульса, но сам процесс переключения, т.е. процесс заполнения,электронно-дырочной плазмслаболегированной базы, оется сравнительно медленнсом диффузии плазмы, инже й эмиттерными слоями,Наиболее близким известным способом переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим рп-переходом из запирающего в проводящее состояние путем освещения прибора импульсом света, направленным перпендикулярно блокирующему РП -переходу со стороны сильно легированной узкой базы и обеспечивающим генерацию боль- мого количества носителей, достаточного для непосредственной модуляции слаболегированной базы 1.2 3.Этот способ обеспечивает быстрое переключение,т.е. заполнение слаболеги рованной базовой области злектроннодырочной плазмой, практически со скоростьв нарастания импульса света. Допустимая величина коммутируемого тока и скорость его нарастания могут быть очень велики, поскольку импульс света обеспечивает одновременное переключение прибора на большой. плошади.Однако освещение прибора со стороны сильнолегированной узкой базы приводит к потере света вследствие иеФотоантцнного поглощения ца пня.осид этой ;азе и усиленияоглощеццян обласгц сильного июля )ри -переходаГэффект Франца-Келдыша). Это приводитк ослаблению модуляции спаболегироваццой баэоной области, затягивает5процесс переключения и увеличиваеткоммутационные потери.Цель изобретения - ускорение процесса переключения и уменьшение коммутационных потерь, 10Цель достигается тем, что переход,оснсщают со стороны слаболегировацнойобласти снетоным потоком, соотнетстнующим условию о (Л) И - 1-2, причеминтенсивность излучения создает минимальную концентрацию носителей эа 15ряда н слаболегиронанной области менее 10 щ см цне более 510 ем з вмомент окончания импульса света, гдес А)- коэФфициент поглощения светадлиной волны ) в материале слаболегиронаццой области; Ч - толщина этойобласти, равная ширине области пространств:нного заряда при приложенииполного блокцруемого напряжения.Иа Фиг, 1 схематично изображена 25тирцсторцая р+ Ири - структура, переключаемая по предлагаемому способу;на Фиг. 2 - 4 - осциллограммы процеса спада напряжения при переключенииполупроводникового прибора. 30Ва схеме даны р ириф - структура 1,Фотойриел цое окно 2, металлическийтокоотнопящцй контакт 3, термокоми-.: цса тор 4,Для освещеция со стороныслаболегцронанцой базы в )+ -слое имеютсяокна 2, янляющиеся фотоприемными площадками, вокруг которых расположенр -слой, покрытый токоотнодящим контактом 3, ныполненным, например, измягкого легкоплавкого металла (олово, индий и т.п.). Диаметр д Фотоприемного окна выбирается не болеетолщины широкой базы для того, чтобынапряженность поля создаваемого током, текущим к металлическому контакту, не была слишком большой. Рассто"яцие между центрами Фотоприемных площадок= .Г 2 д выбрано так, чтобыплощадь кольца, окружающего каждуюплощадку, равнялось площади самой пло щадки это обеспечивает примерно равную плотность тока н приборе как подфотоприемной площадкой, так и под металлическим контактом, Центры фотоприемных площадок являются вершинамиранносторанних треугольников со стороной 1, что обеспечивает наиЛУчшееиспользование площади прибора. Аналогичное конструктинное выполнениеимеет диодцая рф рпп+ и транзисторная 60и+ ри и+ струк тури; Фотоприемные площадки н этих структурах являются окнами, в которых слаболегированнаяИ -база ныходит к поверхности сквозьсильцолегированцый Иф-сло. 65Согласно предлагаемому способу,оснещенив описанных выше структур произ водят со стороны слаболегированцого базового слоя, что позноляе. устранить потери света, связанные с нефотоактин. цым поглощением ца примесях н сильнолегиронацном слое и усиленным поглощением н области сильного поля у рИ -перехода (эффект Франца-Келдыша) . В слаболегиронанном слое ицтенсинность света падает по закону 1(х) -енр Г Ы(Л) х 3,О а концентрация гецерируеьд.:х светом носителей - по законуН(х) - КЕКрГ-Ы(Л) х 3 где с( Л) - коэффициент поглощения н материале освещаемого слоя, занисящий от длины волны;- интсц: ивность освещения на поо верхности; й - поверхностная концентрация геб нерируемых светом носителей, Длину волны света выбирают из условия р(Л) Н1-2, где И - толщина слаболе гиронанного слоя; при ныполнении этого условия основная часть света поглощается в слаболегиронанцом слое,а концентрация у освещаемой и противоположной поверхностей отличаются не более, чем н 3-10 раз. Размер Ю выбирается ранным ширине области пространстненнс го заряда при полном блокируемом напг енеции Ч иэ соотношения /210Ь где Е и И ; диэлектрическая прониЭ цаемость и концентрация легирующей примеси материала;и - заряд электрона.Такой выбор И обеспечивает нозмож ность получения малого остаточного напряжения н освещенном состоянии при большой неличине блокируемого напряжения н неосвещенном состоянии. Интенсивность излучения 1 О ныбиравтиз соотношения М(Ы) сА(оехр Г-СС(Л) 3 так, чтобы 10 см Эс М(Ч)5 10 см-, т.е., чтобы с одной стороны, обеспечить достаточно глубокую модуляцию проводимости слаболегиронанной области по всей толщине, с другой - иэбезать излишних потерь света, обусловленных Оже-рекомбинацией. Как эвестно, при концентрации и5 10 сьУ время жизни носителей в большинстве практически важных полупронодникон становится порядка единиц - сотен наносекунд, и, следовательно, дальнейшее увеличение концентрации может быть достигнуто только за счет неоправданно большого увеличения интенсинности света, Кроме того, при плотности излучения света, соотнетстную 730227Формула изобретения щей 510 е - 1 Фф см-З возникают явле ння деградации поверхности полупро-, нодников. Если материалом слаболеги,рованного слоя является кремний, то наиболее удобным источником света будет ниодимоный лазер с А= 1,06 мкМ. При этом Х -10 см ф и, из соотношения КЯ к 1, Ч 1 мм и полное блокируемое напряжение Ч = 9 10 В при К,=-Э9 10" см ь, Предельная величина коммутируемого тока может быть очень велика, поскольку все фотоприемные площадки коммутируются строго одновременно, и поэтому количество одновременно коммутируемых площадок ограничйвается, в принципе, лишь мощностью источника света.Простейшей структурой, которую мож. но переключать предлагаемым способом, являетсяИпе -диод. Однако, в этом случае предельная длительность импульса тока в цепи и величина остаточного напряжения определяются количеством носителей; созданных импульсом света. Более перспективными ,структурами для переключателя являются транзисторная (Иф рИи+),и тиристорная (и+рпр+ или И+ринр+ ), н которых при протекании импульса тока . осуществляется .введение в слаболегированную область дополнительно к носи телям, созданным светом, еще и носителей, инжектируемых прямосмещенными змиттерными переходами и быстро затягиваемых полем вглубь баэовой области.Па Фиг, 2 - 4 приведены осциллограммы процесса спада напряжения припереключении диодной (фиг, 2) итиристорной (фиг. 3) структур, переключаемых согласно предлагаемомуспособу (кривые 5 и 7) И по способу,являющемся прототипом (кривые 6 и 8). Структуры переключались импульсомниодимоного лазера от блокируемого напряжения 1400 В в цепи с активной нагрузкой, максимальная плотностьтока 20 кА/смф. в момент времеви, от"меченный пунктиром (фиг, 4). Хорошовидно, что при переключении согласнопредлагаемому способу, коммутацияосуществляется в 1,5-2 раза быстрее,аостаточное напряжение н 2-3 раза .меньше. (Форма импуьсов тока указана пунктиром, лазерного импульсаштрихпунктиром 9). В данном опыте А) Ы1,05, Концентрация созданных светом носителей в момент окончания импульса света составляет 10" смТаким образом дачный способ переключения полупроводниковых приборов 10 позволяет повысить скорость коммутации в 1, 5-2 раза, снизить остаточное напряжение в 2-3 раза, что открывает для него широкую перспективу для применения в быстродействующих коммута торах,Способ переключения полупронодни"коного прибора с несимметричным блокирующим ри -переходом из запирающегов проводящее состояние путем освещения прибора импульсом света, направ 25 ленным перпендикулярно блокирующемури-переходу, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью ускорения процессапереключения и уменьшения коммутационных потерь, переход освеШают сощ стороны слаболегированной областисветовым потоком соотнетствующимусловию о(.(.) Я = 1-2, причем интенсивность излучения создает минимальнуюконцентрацию носителей заряда в сла 5 болегированной области не менее10 см 3 н не более 5 10 смн моментокончания импульса света,где сР - коэФФициент поглощениясвета длиной волнын материале слаболегнрованной области; Я - толщинаэтой области, равная ширине областипространственного заряда при приложении полного блокируемого напряжения,4 источники информации,.принятые во внимание при экспертизе1. Джентри ., Гутцвнллер Ф. и др,Управляемые полупроводниковые овентили, "Мир". И 1967, с. 103.2. 0 Уцс 1 сег и др, Арр 1, Рйувессегь 29 262 р 1976 (прототип).е Филиал ГПП "Патент", г. Ужгород,. ул. Проект аказ 28 б/3ВНИИПИпо де113035,ЭЮ ПЩФ щ мТираж 761сударственного комитам изобретений и откросква, Е, Рауиска Подпиа СССР