Полупроводниковый прибор
Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к конструированию полупроводниковых приборов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение степени интеграции. Изобретение позволяет сократить число схемных элементов в полупроводниковых преобразователях путем объединения функций дискретных полупроводниковых приборов в одном приборе, содержащем полупроводниковую структуру (ПС) в виде полого цилиндра с коаксиально расположенными p-n-переходами. На поверхности ПС выполнены продольные канавки, пересекающие p-n-переходы и делящие ПС на отдельные секции. Каждая секция выполняет функции дискретного прибора, а прибор в целом - функции группы дискретных приборов, имеющих общую точку в электрической цепи. Для гальванической развязки входной и выходной частей прибора на ПС выполнена кольцевая канавка, пересекающая p-n-переходы. ЭДС в выходной части ПС наводится через общую для обеих частей полупроводниковую область в результате изменения положения границ области пространственного заряда во входной части. Для обеспечения заданных рабочих напряжений углы со стороны базовой области между поверхностью стенок канавок и поверхностью высоковольтных p-n-переходов выполнены острыми. Для продольных канавок это условие обеспечивается при параллельных стенках. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к конструированию полупроводниковых приборов. Изобретение может быть использовано в преобразовательной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение степени интеграции. Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен трехфазный полупроводниковый прибор диодного типа; на фиг. 2 эквивалентная схема трехфазного полупроводникового прибора диодного типа; на фиг. 3 - полупроводниковый прибор диодного типа, состоящий из трехфазной входной части и однофазной выходной части; на фиг. 4 эквивалентная схема прибора, состоящего из трехфазной входной части и однофазной выходной части; на фиг. 5 полупроводниковый прибор диодного типа, состоящий из трехфазной входной части и шестифазной выходной части; на фиг. 6 эквивалентная схема прибора, состоящего из трехфазной входной части и шестифазной выходной части; на фиг. 7 часть полупроводникового прибора тиристорного типа с продольной канавкой; на фиг. 8 часть полупроводникового прибора с кольцевой канавкой; на фиг. 9 - часть полупроводникового прибора с наклонной кольцевой канавкой; на фиг. 10 - часть полупроводникового прибора с входной и выходной частями, разделенными p-n-переходами; на фиг. 11 разрез полупроводникового прибора с секциями, разделенными продольными p-n-переходами. На фиг. 1 показан трехфазный полупроводниковый прибор, включающий общий металлический электрод 1, полупроводниковый слой первого типа проводимости 2, полупроводниковый слой второго типа проводимости 3, продольную канавку 4, секции прибора 5, 6, 7, разделенные продольными канавками. На фиг. 2 показана эквивалентная схема прибора, изображенного на фиг. 1, которая включает клеммы 8, 9, 10 для подключения к фазам источника питания, клемму 11 для подключения к нейтрали источника питания, диоды Д1, Д2, Д3, эквивалентные p-n-переходам секций. На фиг. 3 показан прибор, состоящий из двух частей (входной и выходной), разделенных кольцевой канавкой 12, и включающий секции 5, 6, 7 входной части, разделенные продольными канавками 4, и выходную часть 13. На фиг. 4 показана эквивалентная схема прибора, изображенного на фиг. 3, которая включает клеммы 8, 9, 10, 11 для подключения к фазам и нейтрали источника питания, клеммы 14, 15 для подключения нагрузки, диоды Д1, Д2, Д3, эквивалентные p-n-переходы секций входной части, диод Д4, эквивалентный p-n-переходу выходной части. На фиг. 5 показан прибор, включающий секции 5, 6, 7 входной части и секции выходной части, разделенные кольцевой канавкой 12. На фиг. 6 показана эквивалентная схема прибора, изображенного на фиг. 5, которая включает клеммы 8, 9, 10, 11 для подключения входной части к источнику питания, клеммы 14, 16, 17, 18, 19, 20, 21 для подключения нагрузки к выходной части прибора, диоды эквивалентные p-n-переходам секций. На фиг. 7 показана часть полупроводникового прибора с продольной канавкой, включающая полупроводниковые слои 2 первого типа проводимости, 3 второго типа проводимости, 24 первого типа проводимости, 23 второго типа проводимости, внутренний металлический электрод 1, внешний металлический электрод 22, продольную канавку 4 шириной h с углом 
между стенками канавки и блокирующим p-n-переходом. На фиг. 8 показана часть полупроводниковой структуры с кольцевой канавкой, включающая полупроводниковый слой 2 первого типа проводимости, полупроводниковый слой 3 второго типа проводимости, область пространственного заряда 25, частично расположенную в полупроводниковом слое 3 входной части, кольцевую канавку 12 с минимальной шириной h и углом a между стенками канавки и высоковольтным p-n-переходом. На фиг. 9 показана часть полупроводниковой структуры, образованная полупроводниковыми слоями первого 2 и второго 3 типа проводимости, с канавкой шириной h, наклоненной под углом a к p-n-переходу входной части. На фиг. 10 показана часть полупроводниковой структуры, в которой в слое 3 второго типа проводимости сформирован слой 13 первого типа проводимости выходной части прибора и слой 5 первого типа проводимости входной части, разделенные слоем второго типа проводимости шириной h. На фиг. 11 показан поперечный разрез полупроводниковой структуры, включающий секции 5, 6, 7 первого типа проводимости, сформированные в слое 3 второго типа проводимости и разделенные продольными слоями второго типа проводимости шириной h. При подключении прибора, например, диодного типа (фиг. 1) к источнику гармонического напряжения по схеме звезда (фиг. 2) с выходом нулевой точки (фазы источника напряжения клеммы 8, 9, 10 в этом случае подключаются к электродам секций, а нейтраль 11 к общему электроду 1 прибора) работа прибора аналогична работе выпрямителя на дискретных элементах. Нагрузка включается между общим электродом и электродом секции. При работе по мостовой схеме требуется два прибора с противоположным типом проводимости полупроводниковых слоев вместо, например, 6 диодов, а также пассивных элементов при выпрямлении трехфазного напряжения. Аналогичным образом подключаются управляемые приборы, например, тиристорного типа. Снижение времени выключателя прибора, например, тиристорного типа (фиг. 7) достигается в результате выполнения продольной канавки 4 с глубиной, меньшей протяженности области пространственно заряда в базе блокирующих p-n-переходов. При запирании одной из секций неосновные носители заряда диффундируют или вытягиваются электрическим полем в области базы соседних секций. Это способствует более быстрому по сравнению с дискретными приборами восстановлению закрытого состояния. Полупроводниковый прибор со структурой, разделенной кольцевой канавкой (фиг. 3), может работать в качестве источника постоянной ЭДС. В этом случае электроды секций 5, 6, 7 и общий электрод 1 подключаются к электродам 8, 9, 10, 11 (фиг. 4) источника гармонической ЭДС. Последовательное изменение напряжения и знака гармонической ЭДС приводит к тому, что область пространственного заряда начинает формироваться, например в секции 5. (Примечание: секции 5, 6, 7 приборов, изображенных на фиг. 1, 3, 5, выполнены идентичными). Так она достигает максимальной протяженности и соединяется с начинающей образовываться областью пространственного заряда в секции 6. В следующий момент область пространственного заряда достигает максимальной протяженности в секции 6 и соединяется с областью пространственного заряда следующей секции, охватывая продольную канавку. Секция 5 в этот момент переходит в проводящее состояние. Таким образом создается круговое вращение области пространственного заряда или проводящей области во входной части прибора. Выходная часть полупроводниковой структуры 13, содержащая коаксиальные полупроводниковые слои 2, 3 первого и второго типа проводимости соответственно, отделена от p-n-перехода выходной части кольцевой канавкой 12. Выходная часть 13 является источником ЭДС, наведенной вращающимся электромагнитным полем входной части. Наиболее эффективно ЭДС будет наводиться в том случае, когда вращающаяся область пространственного заряда 25 (фиг. 8) будет охватывать кольцевую канавку 12, достигая p-n-перехода выходной части. При отсутствии продольных канавок в выходной части 13, т.е. при односекционном исполнении, в нагрузке, подключенной к общему электроду прибора 14 и электроду выходной секции 15, появится ток (фиг. 4), этот ток является зарядным током емкости области пространственного заряда p-n-перехода выходной части и индуцируется вращающимся электромагнитным полем. Если весь p-n-переход выходной части окажется обратно смещенным, то ток в нагрузке снизится до тока утечки, а напряжение возрастет. Для обеспечения эффективной генерации тока в выходной части с заданной длительностью импульсов в ней выполняются продольные канавки 4 (фиг. 5). Вращающаяся область пространственного заряда, пересекая p-n-переходы секций выходной части 13, будет наводить в них ток. Длина окружности p-n-перехода отдельной секции будет определять длительность импульса. Генерируемая ЭДС снимается с электродов секций 16, 17, 18, 19, 20, 21 и общего электрода 14 (фиг. 6). Заданное рабочее напряжение прибора обеспечивается с помощью фасок на торцах структуры и путем изготовления стенок канавок 4 и 12 под острым углов к поверхности высоковольтного p-n-перехола. При увеличении обратного напряжения до максимальных значений протяженность области пространственного заряда в месте выхода на поверхность канавки становится большей, чем протяженность области пространственного заряда в объеме полупроводниковой структуры. В случае выполнения канавок на внешней поверхности острые углы со стороны базовой области обеспечиваются при параллельных стенках продольной канавки (фиг. 7) и наклоном (фиг. 9) или трапециевидном профиле кольцевой канавки (фиг. 8) (вершина трапеции находится на поверхности). При планарном выполнении p-n-переходов, т.е. в том случае, когда высоковольтные p-n-переходы выходят на поверхность (фиг. 10, 11), расстояние между ними должно быть меньше ширины области пространственного заряда, соответствующего напряжению пробоя по поверхности для кольцевых p-n-переходов и больше этой ширины для продольных p-n-переходов. Тогда в случае продольных p-n-переходов область пространственного заряда будет распространяться при увеличении запирающего напряжения, например, от секции 5 (фиг. 11) через область 3 шириной h к секции 6, не достигая p-n-перехода секции 6. В случае кольцевых p-n-переходов область пространственного заряда входной части 5 будет распространяться вдоль p-n-перехода выходной части 13 (фиг. 10). Пример выполнения прибора диодного типа (электростатического генератора) для питания искробезопасных цепей. Прибор выполняется на базе полой цилиндрической полупроводниковой структуры с одним коаксиальным p-n-переходом и состоит из входной и выходной частей (фиг. 5), разделенных кольцевой канавкой 12. Кольцевая канавка 12 имеет трапециевидную форму (фиг. 8). Ширина верхнего основания h (фиг. 8) выбирается исходя из фазного напряжения питающей сети с учетом заполнения канавки диэлектриком. Высота канавки определяется заданным напряжением искробезопасной цепи (напряжение выходной части уменьшается с увеличением высоты канавки от металлургической глубины залегания p-n-перехода до границы области пространственного заряда). Углы наклона боковых сторон к линии p-n-перехода определяются рабочими напряжениями входной и выходной частей. Внешняя поверхность выходной и входной части разделена продольными канавками на 3 сектора с центральными углами в 120o. Стенки канавок могут быть параллельны, при высоких напряжениях расстояние между ними определяется линейным напряжением. Торцовые поверхности полупроводниковой структуры имеют фаски. На внутренней поверхности имеется сплошной металлический электрод. Секции входной и выходной частей полупроводниковой структуры имеют отдельные электроды. Питающее переменное напряжение подается на 3 электрода входной части 8, 9, 10 и общий электрод 11 (фиг. 6). Выпрямленное напряжение снимается с электродов входной части, например, по схеме мостового выпрямителя. Питание электропотребителей в искробезопасной зоне осуществляется в зависимости от их функции либо от общего электрода 14 и электродов секций 16, 17, 18, 19, 20, 21, либо от общего электрода 14 и закороченных электродов секций. Аналогичным образом выполняется прибор тиристорного типа для создания управляемых выпрямителей, инверторов и других преобразовательных устройств.
Формула изобретения
1. Полупроводниковый прибор, содержащий полупроводниковую структуру в виде полого цилиндра с коаксиально расположенными полупроводниковыми слоями, образующими p-n-переходы, внутренний и внешний электроды, образующие с областями структуры омические контакты, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения степени интеграции, вдоль образующей цилиндра на внешней и внутренней поверхностях выполнено не менее двух канавок, пересекающих по крайней мере один p-n-переход. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени выключения, канавки выполнены с глубиной, меньшей протяженности области пространственного заряда в базе блокирующего p-n-перехода. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью гальванической развязки входной и выходной цепей прибора, на поверхности полупроводниковой структуры выполнена кольцевая канавка, пересекающая не менее одного p-n-перехода. 4. Прибор по п.3, отличающийся тем, что, с целью изменения числа фаз и частоты входной и выходной цепей прибора, части полупроводниковой структуры, разделенные кольцевой канавкой, содержат различное число продольных канавок. 5. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения рабочего напряжения, со стороны базовой области между поверхностью стенок канавок и поверхностью высоковольтных p-n-переходов образован острый угол. 6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии его изготовления, изоляция отдельных секций прибора выполнена с помощью p-n-переходов, образованных полупроводниковыми слоями секций.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
