Быстродействующий тиристор с регенеративным управлением

 

Изобретение относится к полупроводниковому приборостроению. Цель изобретения - уменьшение падения напряжения в открытом состоянии и времени выключения при снижении энергии потерь и повышении стойкости d_i/d_t при включении. Для этого в быстродействующем тиристоре с регенеративным управлением, включающем многослойную полупроводниковую структуру с боковой фаской, содержащую области вспомогательной и основной n-⁺ p-n-p⁺- структуры, p-области управляющих электродов вспомогательной и основной n⁺-p-n-p⁺- структур, а также участки повышенной рекомбинации носителей заряда в n-базе, участки повышенной рекомбинации в n-базе расположены в области вспомогательной n⁺-p-n-p⁺ - структуры под p-областями управляющих электродов основной и вспомогательной структур, а также в области фаски. 1 табл, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковому приборостроению и может быть использовано при конструировании быстродействующих тиристоров с улучшенным сочетанием выходных параметров. Цель изобретения уменьшение падения напряжения в открытом состоянии и времени выключения при снижении энергии потерь и повышения стойкости тиристора к d_i/d_t при включении. На фиг. 1 показана многослойная полупроводниковая структура тиристора, поперечное сечение; на фиг. 2 фрагмент топологии. Тиристор имеет боковую фаску 1, область вспомогательной 2 и основной 3 n⁺-p-n-p⁺-структур, p-области 4, 5 управления основной и вспомогательной n⁺-p-n-p⁺ структур, а также участки 6, 7 повышенной рекомбинации носителей заряда в n-базе, расположенные в области 4 с концентрацией рекомбинационных центров N_t2 в области 5 с концентрацией N_t1, и в области фаски 1 с концентрацией N_t3. Был изготовлен тиристор на времени n-типа проводимости с удельным сопротивлением 90-100 Ом· см, диаметр структуры 80 мм, ширина n-базовой области 350 мкм, ширина p-базовой области 90 мкм, глубина n⁺-эмиттерного перехода ≈ 20 мкм. Поверхностные сопротивления: n⁺-эмиттерного слоя ≈ 0,5 Ом/□, p-области управления25 Ом/□, p⁺-эмиттерного слоя12 Ом/□. Слоевое сопротивление p-базовой области под n⁺-эмиттером1100 Ом/□, слоевое сопротивление p⁺-слоя в области шунтов 25 Ом/□. Время жизни дырок в n-базе исходных структур составляет τ_ро 20-25 мкc. Фрагмент топологии тиристора представлен на фиг. 2. Тиристор содержит вспомогательную (ВТ) и основную (ОТ) n⁺-p-n-p⁺ структуры, p-области управляющих электродов вспомогательной (УЭВТ) и основной УЭ от тиристорных структур, а также участки повышенной рекомбинации в n-базе, расположенные в областях ВТ, УЭ_ВТ, УЭ_ОТ и в области фаски (Ф). Активная площадь основного n⁺-эмиттера составляет 32 см², длина периметра управляющего электрода основной структуры40 см. Параметры шунтировки основного n⁺-эмиттера: распределенная шунтировка имеет треугольную симметрию, расстояние между центрами шунтов 2r_o 0,6 мм, диаметр шунтов 2r_ш 0,2 мм. Эквивалентное сопротивление распределенной шунтировки, приведенное к единице площади основного n⁺-эмиттера, составляет R_sш≃ 0,2 Ом·см². С целью увеличения ширины области первоначального включения (ОПВ) первый ряд шунтов удален от границы p-области управления основного тиристора на расстояние 0,5 мм. Таким образом, эквивалентное сопротивление шунтировки в ОПВ составляет R^jg_sш^d≃ 0,35 Ом·см². Краевая шунтировка основного n⁺-эмиттера представляет собой на границе с p-областью управления ряд участков p-типа проводимости, на границе с фаской сплошное кольцо p-типа проводимости, гальванически связанные с металлизацией основного n⁺-эмиттера. Эквивалентное сопротивление краевой шунтировки, приведенное к длине периметра управляющего электрода основной структуры, составляет R_c ≃ 4,8 Ом·см. Участки повышенной рекомбинации носителей заряда в n-базе создаются электронным облучением через фигурные свинцовые маски. Энергия электронов E 3,5 МэВ, толщина маски ≈ 2 мм. С целью обоснования справедливости физических предпосылок, использованных при выводе соотношений, определяющих положение участков повышенной рекомбинации и концентраций рекомбинационных центров в них, а также для доказательства достижения более положительного результата с помощью предложенного технического решения в сравнении с аналогом и прототипом, изготовляют шесть групп тиристоров, отличающихся геометрией защитной маски и дозой электронного облучения. Концентрация рекомбинационных центров регулируется дозой облучения (Ф) и контролируется изменением времени жизни носителей заряда в соответствующих участках. Группа А. Тиристоры облучаются по всей площади равномерно, подобно аналогу. Величина τ_p составляет 10 25 мкм в зависимости от дозы облучения. Группа Б. Тиристоры облучаются предварительно по всей площади до τ_p в интервале 12-20 мкс, дополнительно облучаются области вспомогательного тиристора и фаски до τ_p в интервале 1-8 мкс таким образом, чтобы соблюдались условия где тепловой потенциал кремния; W эффективная ширина n-базы тиристора; 1_всп длина периметра области управления вспомогательной структуры; j плотность тока основной структуры в проводящем состоянии; A ≃; 0,4 A/см² коэффициент пропорциональности; N_t1 концентрации рекомбинационных центров в n-базе участков, расположенных под p-областью управляющего электрода и в области вспомогательной n⁺-p-n-p⁺-структуры; отношение подвижностей электронов и дырок в материале тиристора; D амбиполярный коэффициент диффузии;
C_t коэффициент захвата носителей на рекомбинационном уровне;
N_t0 концентрация рекомбинационных центров в n-базе основной n⁺-p-n-p⁺-структуры;
N_d концентрация донорной примеси в n-базе. Группа В. Тиристоры облучаются в области вспомогательного тиристора, в p-областях управляющих электродов вспомогательной и основной n⁺-p-n-p⁺- структур в области фаски, а также в полосе основного n⁺-эмиттера шириной0,7 мм, прилежащей к области управления до τ_p в интервале 1-8 мкс . В области основной тиристорной структуры τ_p 20 21 мкс. Группа Г. Тиристоры облучаются подобно прототипу. Маска позволяет облучить 100% участков под p-областями управляющих электродов вспомогательной и основной n⁺-p-n-p⁺-структур, полосу основного n-эмиттера шириной 0,7 мм, прилежащую к p-области управления, включая p-n- переход между ними, что составляет 9% площади основного n⁺-эмиттера; облучается также область фаски. Доза облучения составляет 1,5·10¹⁴ см^-2 так, чтобы в участках повышенной рекомбинации τ_p≃ 5 мкс, т.е. . Область вспомогательного тиристора защищается от облучения. Время жизни дырок в n-базе τ_p≃ 15-20 мкс, т.е . Группа Д. Тиристоры изготовлены в соответствии с предложенным техническим решением. На основании условий (3), (4), (5) и (1)

где R_l эквивалентное сопротивление шунтов по краю p-n-перехода n⁺-области основной структуры к p-области управления, приведенное к единице длины периметра n⁺-области основной структуры;
R^оп_sш^в эквивалентное сопротивление распределенной шунтировки n⁺-области основной структуры в области первоначального включения, приведенное к единице площади первоначального включения;
X₀ ширина области первоначального включения;
d минимальный поперечный размер p-области управляющего электрода для основной n⁺-n-p-⁺-структуры;
R_Sш эквивалентное сопротивление распределенной шунтировки n⁺-области основной структуры, приведенное к единице площади;
N_t2 концентрация рекомбинационных центров в УПР под p-областью управляющего электрода для основной n⁺-p-n-p⁺-структуры. Формулой изобретения с учетом реальных параметров тиристорной структуры определены следующие требования к параметрам участков повышенной рекомбинации: под p-областью управления основного тиристора и в области фаски концентрация рекомбинационных центров должна соответствовать , что может быть обеспечено локальным облучением дозой Ф=3·10¹⁴ см^-2, при удалении края участка повышенной рекомбинации под p-областью управления от основного n⁺-эмиттера на расстоянии Δl≃ 0,35 мм;
под p-областью управления вспомогательной структуры и в самой вспомогательной структуре концентрация рекомбинационных центров в n-базе должна соответствовать , что может быть обеспечено локальным облучением указанных областей дозой Ф=6·10¹³ см^-2. При расчетах ширина области первоначального включения X₀ 500 мкм (расстояние от края основного n⁺-эмиттера до первого ряда шунтов), эффективная ширина n-базы (с учетом модуляции) W_{n эфф} 450 мкм. Группа Е. Конструкция тиристоров совпадает с вариантом группы Д за исключением того, что концентрация рекомбинационных центров в n-базе на участке под p-областью управления основной структуры и в области фаски соответствует при дозе облучения Ф=1,5·10¹⁴ см^-2 и не согласуется с условием (5). Сравнительный анализ проводился по сочетанию следующих параметров тиристоров: падение напряжения в открытом состоянии (U_TM), время выключения t_q и энергия потерь при включении (E_TT), измеренных при условиях
U_TM при амплитуде тока I_TM=4200 A. t_qпри I_T=1250 A, (d_iT/dt)_f 10 А/мкс, U_R 10 B, d_iT/d_t 50 B/мкс, U_D 1000 B, T_j 125^oC, E_TT при I_TM=6000 A, d_iT/d_t 800 A/мкс, t_i 50 мкс, (d_iT/d_t)_f 600 A/мкс, f 150 Гц, U_D 690 B. Чем меньше энергия потерь E_TT, тем тиристор более устойчив к d_i/d_t при включении. Анализ результатов, показывает, что наиболее сильная зависимость t_q(τ_p) характерна для тиристоров группы А (аналог) и объясняется тем, что быстродействие приборов лимитируется задержкой выключения вспомогательной структуры и наличием избыточного заряда в n-базе под p-областями управления, а больше значения падения напряжения определяются необходимостью малых значений τ_p в n-базе основного тиристора. Более слабая зависимость t_q(τ_p) для образцов группы Г (прототип) объясняется устранением "слабых мест" под p-областями управления. Однако быстродействие ограничено временем выключения вспомогательной структуры. Кроме того, наличие локального участка повышенной рекомбинации в области первоначального включения основной тиристорной структуры приводит к повышению энергии потерь (E_TT) при включении (см. таблицу) и, как следствие, к снижению d_i/d_t-стойкости. Приборы, относящиеся к группе Д, изготовлены в соответствии с изобретением. Для тиристоров данной группы получена самая слабая из сравниваемых вариантов зависимость t_q(τ_p), т.е. с максимальной возможностью устранены "слабые места" в области вспомогательной структуры, под p-областями управления и в области фаски, что позволяет получить наилучшее сочетание t_q-U_TM-E_TT (см. таблицу). В варианте конструкции приборов группы Б соблюдены полностью только условия (1) и (2), отсутствуют условия (3) и (4), частично ослаблено влияние дополнительного заряда под p-областями управления, поэтому по t_q(τ_p) и t_q-U_TM образцы лучше прототипа (вариант Г), но хуже конструкции (вариант Д). В конструкции тиристоров группы E нарушено условие (5), т.е. недостаточно скомпенсировано влияние избыточного заряда под p-областью управления основной структуры и в области фаски, по этой причине образцы данной группы Е по t_q(τ_p) и t_q-U_TM занимают промежуточное положение между группами Г и Д. Варианты конструкции тиристоров группы В также, как варианты групп Б и Е, имеют отклонение от изобретения, заключающееся во введении участка повышенной рекомбинации, расположенного в области первоначального включения (ОПВ) основной тиристорной структуры. Судя по зависимости t_q(τ_p), образцы данной группой совпадают с решением (группа Д), тем самым подтверждая, что ответственными за ухудшение (t_q(τ_p)) и t_q-U_TM (группы А, Г, Б, Е) являются области вспомогательной структуры и триодной структуры под p-областями управления. Однако снижение τ_p в ОПВ основной тиристорной структуры приводит к увеличению энергии потерь при включении тиристора (см. таблицу), т.е. к снижению d_i/d_t стойкости. В таблице даны параметры изготовленных тиристорных структур.

Формула изобретения

Быстродействующий тиристор с регенеративным управлением, включающий многослойную полупроводниковую структуру с боковой фаской, содержащую области вспомогательной и основной n⁺- p n p⁺ -структур с шунтами, p-области управляющих электродов вспомогательной и основной n⁺- p n - p⁺ -структур, а также участки повышенной рекомбинации (УПР) носителей заряда в n-базе, отличающийся тем, что, с целью уменьшения падения напряжения в открытом состоянии и времени выключения при снижении энергии потерь и повышении стойкости к d_i/d_t при включении, участки повышенной рекомбинации в n-базе расположены в области вспомогательной n⁺- p n - p⁺ -структуры, под p-областями управляющих электродов основной и вспомогательной n⁺- p n p⁺ -структур, а также в области фаски, причем участок повышенной рекомбинации, расположенный под p-областью управляющего электрода основной n⁺ p n p⁺ -структуры, выполнен топологически повторяющим геометрию p-области управляющего электрода, а его ближний край равноотстоит от границы основной n⁺- p n - p⁺ -структуры на расстоянии Δ1, которое определено следующим соотношением:

где отношение подвижностей электронов и дырок в материале полупроводниковой структуры;
D амбиполярный коэффициент диффузии;
C_t коэффициент захвата носителей на рекомбинационном уровне;
концентрация рекомбинационных центров в n-базе основной n⁺- p n p⁺-структуры;
концентрация рекомбинационных центров в УПР под p-областью управляющего электрода для основной n⁺-p n p⁺-структуры;
R_sш эквивалентное сопротивление распределенных шунтов n⁺-области основной структуры, приведенное к единице площади основной структуры;
R_l эквивалентное сопротивление шунтов по краю р-n-перехода между областью n⁺-основной структуры и p-областью управления, приведенное к единице длины периметра n⁺-области основной структуры;
R^оп_sш^в эквивалентное сопротивление распределенной шунтировки n⁺-области основной структуры в области первоначального включения, приведенное к единице площади первоначального включения;
Х_о ширина области первоначального включения;
d минимальный поперечный размер p-области управляющего электрода для основной n⁺-p n p⁺-структуры,
при этом концентрация рекомбинационных центров в УПР под p-областью управляющего электрода основной n⁺-p n p⁺-структуры определяется следующим соотношением:

где N_D концентрация донорной примеси в n-базе,
участки повышенной рекомбинации, расположенные под p-областью управляющего электрода вспомогательной n⁺-p n p⁺-структуры, в области вспомогательной n⁺-p n p⁺-структуры и в области фаски выполнены топологически совпадающими с геометрией соответствующих областей, концентрации рекомбинационных центров в n-базе участков, расположенных под p-областью управляющего электрода вспомогательной n⁺-p n p⁺-структуры и в области вспомогательной n⁺-p n p⁺-структуры равны между собой и определены следующими соотношениями:


где тепловой потенциал кремния;
W эффективная ширина n-базы;
l_всп длина периметра области управления вспомогательной структуры;
j плотность тока основной структуры в проводящем состоянии;
A ≃ 0,4A/см коэффициент,
концентрация рекомбинационных центров в УПР, расположенном в области фаски, определяется следующим соотношением:

где R_sш эквивалентное сопротивление шунтов n⁺-области, прилегающей к фаске основной структуры;
R^ф_l эквивалентное сопротивление шунтов по краю p n-перехода между фаской и n⁺-областью основной структуры, приведенное к единице длины периметра n⁺-области основной структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4