Фототиристор

Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ и 1793421(23) Приоритет6930/76 4680/77 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийИностранцыРоланд Ситтиг (ФРГ), Патрик де Брюйен (Бельгия)(72) Авторы изобретения Иностранная фирма(54) ФОТОТИРИСТОР 1Изобретение относится к фототирнсторам на основе четырехслойной структуры с чередующимся типом проводимости.Известны фототиристорные структу ры на основе четырехслойной планарной структуры с фотодиодом, сформированным в базовой области 1 .Также известен фототиристор, кОторый является наиболее близким по 1 О своей технической сущности, который выполнен на основе четырехслойной структуры с основной и вспомогательной частью тиристорной структуры, причем П -базовая область выпол иена низколегированной, а сильно- легированная эмиттерная эона электрически связана с з-базой 12.Однако возможна дальнейшая оптимизация структуры, управляемая меньшей 20 световой мощностью.Целью изобретения является уменьшение необходимой для поджигания световой мощности при увеличении устойчивости по отношению бО /дЪ. 25Поставленная цель решается в фототиристоре на основе четырехслойной структуры с чередующимся типом проводимости, имеющем основную и вспомогательную часть тиристорной структуры, 30 12причем первая и четвертая зона является эмиттерами и контактирует с основными электродами, а наиболее высоко- легированная область типа проводимости первой зоны электрически связана с-базой, иизколегрованная Ж-база выступает на поверхность структуры и окружает части Р -базы и сильно- легированные зоны Пф -типа, проводимости, при этом сильнолегированные зоны П+ -типа имеют электрический контакт с частью р -базы, не окруженной и -базовой областью.В результате этого полученнцйьфототок концентрируется на одной или нескольких областях, и при малой световой мощности получается локально высокая плотность тока, которая может вызывать зажигание тиристора.На фиг. 1 показан предлагаемый тиристор в разрезе, у которого высоколегированная зона типа проводимости первой зоны лежит в отверстии выступающей на поверхности части третьей зоны, на фиг. 2 - то же, вид сверхуф на фиг. 3 - вид сверху тиристора, у которого выступакщая на поверхность часть третьей эоны выполнена в виде спиральной кривой :на фиг.4 - тиристор, в разрезе, укото 793421рого выступающая на поверхность часть третьей зоны замкнута, на фиг.5 то же, вид сверху.Тиристор содержит первую зону.1 и -типа проводимости - главный эмиттер, вторую зону 2 - р -базу тиристора, третью зону 3 - о -базу тиристора, четвертую зону 4 р -типа проводимости с приповерхностной высоко- легированной областью, запирающий переход - Р - И переход 5, обратно- смещенный -и переход б, поверхность 7 тиристорной структуры, отверстия 8, высоколегированную область й+ -типа 9, шунтирующий контакт 10, высоколегированную р" -область 11, полосы Р+ -типа проводимос эти 12, часть Г 1 -базы, образующую параллельные полосы 13, эмиттерные шунты 14, область рф-типа проводимости 15, диэлектрик 1 б, метаялизацию 17.2 ОПредставленный на фиг, 1 и 2 тиристор содержит первую зону, которая легирована примесью-типа и этим самым действует в качестве П -эмиттер зоны,Она контактирует с катодом С. Вторая зона 2 легирована примесью Р-типа и у обычно зажигаемого через управляющий электрод тиристора контактирует с ним, Третья, легированная примесью г-типа эона 3, имеет самое наименьшее из всех зон легиро О вание и в особенности служит приему запирающего слоя, который образуется в прямом направлении в запирающем р-и переходе 5 и в обратном направ 6 ленин в запирающем- П переходе б. 35 Четвертая, легированная примесью Р-типа зона 4 имеет с передней стороны высоколегированную область, которая катализирована с анодом А и действует в качестве р -эмиттерной зоны. На поверхности 7 полупроводникового структуры тиристора предусмотрена высоколегированная примесью и -типа зона 9 которая с высоколегиро ванной примесью-типа областью 11 образует р+ - И+ переход, который аунтирован электрическим контактом 10, Зона 9 действует этим самым известным образом в качестве П -эмиттера вспомогательного тиристора, который после своего зажигания поставляет управляющий ток для зажигания основного тиристора.Выступающая на поверхность 755 полупроводниковой структуры тиристора часть третьей зоны 3 образует, с одной стороны, области -типа с отверстиями 8, и с другой стороны, расположенные внутри этой области, проходящие параллельно друг другу полосы бО 13", йф-легированная эона 9 расположена в отверстии 8, и образует с участком, окружающим области П -типа, высоколегированного примесью р -типа, кольца области 11 эоны 2, шунтирован ный электрическим контактом 10 р+и+-переход.Благодаря описанной специальной структуре р -зоны 3 на поверхности 7, образованный при световом излучениина поверхность дырочный ток в высокой концентрации стекает через отверстие 8 к катоду 1 , и через расположенную в отверстии 8, действующую в качестве эмиттерной зоны вспомогательного тиристора зону 9, зажигает вспомогательный тиристор, который затем, со своей стороны, зажигает основной тиристор, р+-область 11 способствует тому, что образованный в результате зажигания вспомогательного тиристора управляющий ток сразу же распределяется по всему объему зоны главного эмиттера 1 и в результате этого достигается быстрое зажигание тиристора по всему сечению.Большое значение имеет то, что возможность более легкого зажигания структуры тиристора, выполненного согласно изобретению, достигается не за счет меныаей величины крутизны критического напряжения б 0/ДЬ чего следовало опасаться, Это проис- ходит от того, что емкость на единицу поверхности при структуре тиристора согласно изобретению неожиданным образом в светочувствительной области отчетливо меньше, чем на ненарушенном р - й переходе, и сверх того ДД/М чувствительность уменьшается при высоких прямых запирающих напряжениях, Лишь поэтому локальная плотность тока, образованная структурой, согласно изобретению, не приводит к преждевременному включению.Особенно выгодной получается описанная структура тиристора согласно изобретению в результате того, что на поверхности 7 полупроводниковой структуры тиристора предусмотрены между полосами 13 соответственно Р-полосы 12., которые соединены с одинаково легированной, относительно них поперек проходящей и расположенной между ними и зоной 9 полосой,Соответствующие с й -полосами 13 рполосы 12 вызывают уменьшениеомического сопротивления для образованного на поверхности р - и перехода 5 дырочного тока и направляют его поперек проходящей + -полосы, которая затем, некоторым образом в качестве сборной шины, на всем расширении воздействует на противоположную часть зоны 9 зажигающего вспомогательного тиристора. Кривая, образованная Г -базовой областью, принципиально может иметь также болыае, чем лишь одно отверстие с соответственно расположенной в нем зоной 9, однако одно отверстие ввиду возможной в результате этого высокой концентрации дырок особенно целесообразно,Круговая форма П -базы, выходящейна поверхность и область 11 и центральное расположение этой конфигурации в круглой выемке катода С является выгодной, так как этим самымтиристор становится проще н отношении выбора его параметров, Расширен 5ная но внутрь кривой эона 9 и соответстненно широкая Форма и противоположное размещение поперек проходяцей и -полосы создают особенно интенсивное взаимодействие этих двухчастей друг с другом.Изготовление тиристора согласноизобретению не является проблемой.Например, н Н -легированной кремниевой подложке с удельным сопротивлением 200 Ом и толщиной 800 мкм в первом диффузионном процессе могут бытьизготовлены, например, зоны 2 и 4глубиной 90 мкм, при этом областиполос Н-типа, эоны 9 и зоны 1 защищены от диффузии диффузионной маской,Вслед за этим при непрерывном покрытии названных областей и дополнительно поверхностной области зоны 2 создают области 11. Наконец, с помощьюсоответствующей маски диффундируютсяеще пф -эоны 1 и области 9,Р -области 11 и п 1-зоны 1 и области+9 имеют, например, глубину проникновения 15 мкм. Ширина полос 3 составляет, например, 3 мм, диаметр кольца 11, например, 4 мм, ширина отверстия;8, например, 1 мм, диаметр круглой выемки в эмиттерной зоне 1, например, 5,5 мм, Длина всего тиристора составляет, например, 14 мм, Шунты 14 эмиттера имеют, например, среднее расстояние друг от друга 1-2 мм и известным образом распределены по всему катодуС,Рассчитанный .таким образом эле мент блокирует напряжение, например, 4,5 кВ и может, например, при 1 кВ прямого блокирующего напряжения зажигаться посредством СаА 5 - светоизлучающего диода (950 нм) световой 45 мощностью в 5 мВт. Критическая кру-. гизна напряжения дО /ДЪ при комнатной гемпературе лучше 3000 В/мкс (измерено согласно ДИН 41 7871).Особые преимущества этого тиристора заключаются не только в меньшей потребной для зажигания световой мощности, но также и в том, что квантовый выход через область спектра примерно от 540 нм до 1000 нм почти равен 1, так что может применяться 55 большое число источников света. Необходимая для зажигания световая мощность в большой степени не зависит от соответствующего блокирующего напряжения, при котором производится О зажигание, Гарантирована хорошая -.0(н /Д прочность, и сверх того тиристор в большой степени защищен также от повреждений в результате перенапряжений, следовательно, он предельно устойчив д к зажиганию, так как изгиб прямо блокирующего р - д перехода 5 в светочувствительном диапазоне вызываеттам уменьшение напряжения лавинногопробоя, так что при перенапряженияхтиристор зажигается, начиная от этойобласти, по всему своему объемуи поэтому не может быть поврежден,Светочувствительная поверхностьдругого тиристора,ныполненного согласно изобретению, показана на фиг.3У этого тиристора обозначения имеютто же значение, что и у тиристора наФиг,1 и 2, но от него он отличаетсятем, что область н -базы, выходящая фза пределы поверхности, выполненан форме спирали и н качестве отверстия имеет лишь длинный и узкий канал,и что особенно нысоколегированнаяобласгь 9 содержится теперь полностьюв окруженной спиральной областип-типа, У тиристора с такого родаструктурой электрический контакт 10должен быть выведен через П-область3, но изолированно от нее. Эта изоляция выполняется преимущественно путем оксидного слоя, толщиной около1 мкм. Этот слой наносится оксидированием внутри замкнутой области 11.Над -областью 9, которая должнабыть контактирована, вытравляетсязатем н оксидном слое окошко. Оксидный слой служит не только в качествеизоляции, но и одновременно в качестве слоя пассинации для светочувствительной структуры и уменьшает ктому же вызванные в результате отражения на кремниевой поверхностисветовые потери,Этот тиристор имеет следующийпринцип работы,Если свет излучается в область 3,то дырочный ток через относительновысокое сопротивление (при соответствующей размерности с длиной каналаоколо 4 мм и шириной канала около0,2 мм отверстия 8 около 3 кОм)узкого и длинного отверстия 8 долженстекать к катоду С . В результатеэтого вся расположенная внутрир-базы область р -легированной зоны 2доставляется на более высокий посравнению со своим окружением потенциал, Это в особенности действительно в отношении о -области 9, котораяпутем шунтирующего контакта 10 наложена на потенциал Р -области 11. Раз+ность потенциалов около 0,6 в гобласть 9 нагнетает электроны и тиристор зажигается.Такого рода тиристор с особой выгодой может зажигаться минимальнойсветовой мощностью, так как омическое сопротивление значительно увеличивается между полосами 12 и соответственно 11 в результате выбораособенно длинного и узкого отверстия 8 н области и-типа, Хотя прин"ципиально это может быть достигнуто также путем особеннО малых размеров отверстия 8 тиристора фиг.1 и 2), однако в результате этого чрезвычайно затруднена диффузия и металлизация контакта 10 и-области 9 в таком узком отверстии. Поэтому наряду со спиральной формой кривой зоны 3 в случае необходимости выгодно может применяться также другая форма, у которой имеется длинное и узкое отверстие 8.10Третья форма исполнения тиристора согласно изобретению представлена на фиг. 4 .и 5. Он отличается тем, что выступающая на поверхность часть третьей зоны образует замкнутую кривую, не охватывающую первую зону, и что эта кривая охватывает + -легированную область 9, а также р-легированную область 15, р -легированная область 15 через металлизацию 17 соединена с катодной металлизацией. 20 У структурированного таким образом, тиристора контакт 10 и металлизация 17 должны быть выведены черезов+-область, но изолированЪю относительно нее. Эта изоляция у тиристора (фиг,З) преимущественно достигается диэлектриком 16 толщиной 1 мкм, который наносится окислением внутри области 11. Над областями ч+- фобластей 9 и 15, которые должны контактироваться, в оксидном слое вытравляются затем окна.Этот тиристор имеет принцип работы, который схематически изображен на фиг.4. При изучении света запитывается ток , который через сопротивление Р 1, соответствующее отверстию 8 у тиристоров на фиг. 1, 2 и 3, стекает к катоду. В результате этого тока потенциал всей лежащей внутри области р -легированной зоны 2 воз растает на более высокий по сравнению со своим окружением потенциал. Это действительно в особенности в отношении Ь+-области 9, которая путем металлизации 10 приложена к потен циалу )+ -области 11, П -область 9 инжектирует электроны при разности потенциала около 0,6 В.Формула изобретения1. Фототиристор, содержащий по крайней мере четыре эоны чередующегося типа проводимости, имеющий основную и вспомогательную тиристорные структуры; .первая и четвертая зона которых контактируют с основными электродами и являются эмиттерами, а вторая и четвертая - базами с различным типоМ проводимости, причемнизколегированная база имеет Ь-тип проводимости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью, уменьшения необходимой для поджигания световой мощности при увеличении устойчивости ДО /дВ,65 низколегированная ь -база выступает на поверхность структуры и окружает части О -базы и сильнолегированные области й -типа, а сильнолегированная область П-типа электрически связана с частью р -базы, не окруженной и -базовой областью,2. Фототиристор по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что й- базовая область, выходящая на поверхность структуры, имеет. участок, не примыкающий к эмиттеру, в котором расположена сильнолегированная область Фтипа проводимости.3. Фототиристор по п.2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что и -базовая область выполнена в виде параллельных полос, выходящих на поверхность структуры. 4, Фототиристор по п,З, о т л ич а ю щ и й с я тем, что междупараллельнымиполосами о -базовой области. расположены полосы р -типа проводимости с большей концентрациейчем соединяющая их проходящая поперечная полоса,5. Фототиристор по пп. 2-4, о тл и ч а ю .щ и й с я .тем, что П -базовая область, выходящая на поверхностьструктуры, окружена замкнутым кольцомр-типа проводимости, но с более высокой концентрацией, чем Р-база,6. Фототиристор по пп.3-5, о т -л .и ч а ю щ и й с я тем, что П -база,выходящая на поверхность, выполненав виде кольца и содержит участок, вкотором расположена сильнолегированная п-область, распространяющаясякцентру структуры.7, Фототиристор по пп. 2-5, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что областьп-базы, выходящая на поверхность, выполнена в виде спирали, причем сильнолегированная +-область полностьюлежит в области, охваченной спиралью.8. Фототиристор по п.1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что й -базоваяобласть на поверхности образует замкнутую, не охватывающую эмиттер, область,9. Фототиристор по п,8, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что областьЬ -типа проводимости, часть р -базы иобласть рф -типа проводимости лежатвнутри и -базовой области, выходящейна поверхность.10. Фототиристор по пп. 8 и 9,о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтой-база, выходящая на поверхность,имеет гребенчатую стРуктуРу.11. Фототиристор по пп,1-10, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что в области П -базы, выходящей на поверхность структуры, и расположенногонад ней диэлектрика выходит на поверхность часть-базы,12, фототиристор по пп 5-7 и 11,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что793421 ю г. внутри кольца Р+-типа выполнен диэлектрик,13. Фототиристор по пп.9-11, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что в диэлектрике над )+-типа областью выполнено окно. 14. Фототиристор по пп. 9-11 и 13,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что.между высоколегированной ф-областьюи основным электродом выполнена шунтировка металлом,Приоритет по пп.:0.06,76 по пп. 1-бф15.04.77 по пп 7-14.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Амброэяк А.-"Конструкция и тех-.нология полупроводниковых фотоэлектрических приборов". М., "Советское