Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением

 

Изобретение относится к области полупроводникового приборостроения. Предложено полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением, включающее тиристор с электростатической индукцией (ТЭУ) и МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, а также регулирующий напряжение элемент, соединенные между собой таким образом, что сток тиристора с электростатической индукцией подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку МОП-транзистора, затвор ТЭУ через регулирующий напряжение элемент связан с истоком МОП-транзистора, который, в свою очередь, подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, а затвор МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу. В устройство введен конденсатор, подключенный между затворами ТЭУ и МОП-транзистора, в качестве регулирующего напряжение элемента применен по крайней мере один импульсный диод, анод которого подключен к затвору ТЭУ, а катод - к общей шине, при этом ТЭУ, МОП-транзистор и импульсный диод выполнены в виде отдельных кристаллов и вместе с конденсатором размещены на общей изолирующей подложке. В результате снижаются статические и коммутационные потери мощности на ключевом устройстве при одновременном упрощении технологии его изготовления. 1 з. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области полупроводникового приборостроения, в частности к конструированию мощных ключевых полупроводниковых приборов с полевым управлением, в том числе составных, и модулей на их основе, и может быть использовано в радиоэлектронике, преобразовательной технике, электронных измерительных устройствах, в аппаратуре для контроля и регулирования мощности в устройствах электропривода и т.д.

Известны униполярные ключевые полупроводниковые приборы, управляемые через структуру "металл - окисел - полупроводник", сокращенно именуемые МОП-транзисторы [1]. МОП-транзисторы потребляют малую мощность по цепи затвора, что упрощает построение схем управления этими ключами. Недостатком данных приборов является сильная зависимость сопротивления сток-исток от предельно допустимого напряжения. В результате высоковольтные МОП-транзисторы обладают большими потерями мощности по цепи сток-исток в открытом состоянии, что не позволяет использовать их в преобразовательной технике для устройств мощностью свыше 1,5-2 кВт.

Известны тиристоры с электростатической индукцией (сокращенно ТЭУ, в латинской аббревиатуре - SITh), относящиеся к приборам с управляющим р-n переходом [2]. В отечественной литературе приборы этого класса часто обозначаются также аббревиатурой СИТ. Тиристоры с электростатической индукцией, в том числе высоковольтные, имеют малое падение напряжения в открытом состоянии, аналогичное падению напряжения на выпрямительных диодах того же класса. Недостатком данных приборов является нормально открытый режим работы. Нормально закрытые тиристоры с электростатической индукцией требуют для перевода в открытое состояние задания прямого смещения на управляющий р-n переход, что сопровождается протеканием значительных токов в цепи управления. Эта особенность тиристоров с электростатической индукцией значительно осложняет построение схем управления, вследствие чего эти ключевые приборы практически не используются в преобразовательной технике.

Известны технические решения, позволяющие снизить мощность, потребляемую ТЭУ по цепи управления, путем включения в цепь затвора ТЭУ электронного ключа, с помощью которого осуществляется закорачивание затвора и катода, и параллельно ему конденсатора [3]. Недостатком данного технического решения является то, что при замыкании затвора и катода электронным ключом на последнем имеет место падение напряжения, создающее положительный потенциал на затворе ТЭУ при заземленном истоке. Для выключения нормально открытого ТЭУ необходимо задание на его затвор отрицательного по отношению к истоку потенциала. Даже при нулевом сопротивлении электронного ключа, закорачивающего затвор и катод ТЭУ, условие выключения принципиально выполняется только для нормально закрытого ТЭУ, что значительно сужает возможности данного технического решения.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением [4], включающее тиристор с электростатической индукцией (ТЭУ) и МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, а также регулирующий напряжение элемент, соединенные между собой таким образом, что сток тиристора с электростатической индукцией подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку МОП-транзистора, затвор ТЭУ через регулирующий напряжение элемент связан с истоком МОП-транзистора, который, в свою очередь, подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, а затвор МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу.

Данное устройство представляет собой монолитный полупроводниковый прибор, в котором ТЭУ, МОП-транзистор и регулирующий напряжение элемент выполнены в одном кристалле, причем функцию регулирующего напряжение элемента выполняет диод Зенера (ДЗ), включенный между затвором ТЭУ и общей шиной.

Далее в тексте этот прибор обозначается русской аббревиатурой КСМТ (комбинированный СИТ - МОП-тиристор), что по смысловому значению наиболее близко к принятой в зарубежных публикациях терминологии - MOS Composite Static Induction Thyristor.

Заявленная в работе [4] конструкция имеет ряд недостатков.

Для демонстрации принципиальных противоречий, заложенных в данное устройство, рассмотрим наиболее простой и технологически реальный вариант его конструкции, в котором МОП-транзистор размещен в канале планарного ТЭУ между областями затворов. Точнее, между затворами ТЭУ, как минимум, должны находиться исток ТЭУ, сток МОП-транзистора и область канала; исток МОП-транзистора может быть вынесен в область затвора ТЭУ. Не внося значительной погрешности в дальнейшие оценки, для удобства рассмотрения можно полагать, что размеры истока ТЭУ равны размерам истока МОП-транзистора. Это позволяет считать, что между затворами ТЭУ размещается весь МОП-транзистор, а исток ТЭУ из рассмотрения исключить.

Отношение напряжения сток-исток к напряжению затвор-исток на закрытом (блокированном по затвору) ТЭУ при заданном токе утечки стока принято называть коэффициентом блокирования μ. Коэффициент блокирования планарного тиристора с электростатической индукцией сильно зависит от расстояния между затворами и с увеличением последнего уменьшается [5]. Легко показать, что в предложенной конструкции U_{DS M OП MАХ}≈U_{GS TЭУ}+U_BDZ= =U_{DS Т ЭУ MAX}/μ+U_BDZ (1), где U_{DS MO П МАХ} - предельно допустимое напряжение сток-исток МОП-транзистора, В, U_{GS TЭУ} - напряжение затвор-исток ТЭУ, В, U_BDZ - напряжение стабилизации диода Зенера, В, U_{DS TЭУ МАХ} - предельно допустимое напряжение сток-исток ТЭУ, В, μ - коэффициент блокирования ТЭУ.

Увеличение расстояния между затворами ТЭУ приводит к падению коэффициента блокирования μ и возрастанию предельно допустимого напряжения на МОП-транзисторе, что при сохранении неизменным периметра его канала означает увеличение его сопротивления. Известно, что R_DS(ON)≈U^α_{DS MOП MAX} (2), где R_DS(ON) - сопротивление сток-исток открытого МОП-транзистора, Ом,
α=1,6÷2,5 по данным разных источников.

С ростом сопротивления сток-исток потери мощности на открытом МОП-транзисторе возрастают. Падение напряжения в открытом состоянии на приборе в целом определяется суммой падений напряжения на ТЭУ и на МОП-транзисторе. Следовательно, с ростом мощности потерь на открытом МОП-транзисторе увеличивается и мощность потерь на открытом приборе в целом.

Уменьшение расстояния между затворами ТЭУ при неизменной глубине диффузии легирующей примеси в затвор увеличивает коэффициент блокирования ТЭУ и снижает напряжение на МОП-транзисторе, но одновременно приводит к уменьшению занимаемой им площади, а следовательно, к снижению плотности упаковки МОП-ячеек, уменьшению их количества и уменьшению суммарного периметра канала при неизменной площади кристалла, что, опять-таки, ведет к росту его сопротивления сток-исток и росту потерь мощности на МОП-транзисторе.

Увеличение коэффициента блокирования за счет снижения концентрации легирующей примеси в базе ТЭУ требует при том же предельно допустимом напряжении сток-исток увеличения ширины базы, что снижает быстродействие прибора либо увеличивает падение напряжения на открытом ТЭУ. Введение сильнолегированного "стоп-слоя" вблизи анодного р-n перехода ТЭУ в данной конструкции также снижает быстродействие.

Следовательно, достижение требуемой площади и малого предельно допустимого напряжения сток-исток МОП-транзистора при сохранении высоких динамических параметров в планарной конструкции прототипа возможно только за счет увеличения размеров всего кристалла в целом, что ведет к снижению допустимых плотностей тока, возрастанию межэлектродных емкостей и удорожанию прибора.

Предложенные в [4] более сложные варианты конструкции, содержащие V - МОП либо U - МОП-транзисторы, не решают проблему малой доли площади, занимаемой МОП-транзистором в общей площади монолитного прибора. Как и в рассмотренном выше планарном варианте, требуемая площадь МОП-транзистора может быть достигнута только за счет увеличения размеров всего кристалла в целом. С технологической точки зрения варианты прибора с V - МОП либо U - МОП-структурами намного сложнее. Введение в устройство второго МОП-транзистора еще более усложняет проблему.

Существенную роль в предложенной конструкции играет диод Зенера.

Протекающий через открытый прибор ток создает омическое падение напряжения на МОП-транзисторе. Это напряжение оказывается приложенным к истоку ТЭУ. Если бы затвор ТЭУ был непосредственно присоединен к общей шине, на управляющем р-n переходе ТЭУ возникло бы обратное смещение и последний оказался бы в активном, а не ключевом режиме работы. Для подавления возникшего в канале потенциального барьера напряжение сток-исток ТЭУ должно повыситься в μ раз по отношению к напряжению затвор-исток. В итоге падение напряжения на ТЭУ значительно возрастает, что ведет к росту статических потерь мощности. Для подавления этого эффекта служит ДЗ, поддерживающий потенциал затвора ТЭУ на уровне, превышающем падение напряжения на МОП-транзисторе:
U_BDZ>I_DR_DS(ON) (3),
где I_D - ток стока МОП-транзистора, А.

Поскольку сопротивление современного низковольтного МОП-транзистора составляет не более 10 мОм, напряжение стабилизации диода Зенера должно быть порядка единиц вольт. Выбор в качестве регулирующего напряжение элемента ДЗ с туннельным механизмом пробоя позволяет минимизировать напряжение стабилизации. Недостатком данного решения является отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН) туннельного пробоя ДЗ в сочетании с положительным ТКН сток-исток открытого МОП-транзистора, особенно с учетом малой величины U_BDZ. Выбор в качестве регулирующего напряжение элемента ДЗ с лавинным механизмом пробоя позволяет получить положительный ТКН пробоя, однако, за счет более высокого напряжения стабилизации, что ведет к росту предельно допустимого напряжения МОП-транзистора.

При выключении прибора в ходе переходного процесса через ДЗ проходит импульс тока, по амплитуде равный току стока. Поскольку дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке ВАХ достаточно велико, потенциал затвора ТЭУ будет равен
ϕ_{G ТЭУ} = U_BDZ+I_Dr_DDZ (4),
где ϕ_{G ТЭУ} - потенциал затвора ТЭУ, В,
r_DDZ - дифференциальное сопротивление ДЗ на рабочем участке ВАХ, Ом.

Условие блокирования ТЭУ по затвору имеет вид:
U_{GS ТЭУ}=U_{DS ТЭУ}/μ=
=U_{DS МОП}-(U_BDZ+I_Dr_DDZ) (5),
где U_{GS ТЭУ} - напряжение затвор-исток ТЭУ, В,
U_{DS ТЭУ} - напряжение сток-исток ТЭУ, В,
U_{DS МОП} - напряжение сток-исток МОП-транзистора, В.

Очевидно, что минимально возможное предельно допустимое напряжение МОП-транзистора, работающего в составе КСМТ, составляет
U_{DS M ОП MАХ}=U_{DS TЭУ MАХ}/μ (6).

Из (5) и (6) вытекает, что при заданных U_{DS Т ЭУ МАХ} и μ предельно допустимое напряжение МОП-транзистора тем выше, чем больше общее падение напряжения на ДЗ. Заранее вывести ДЗ на рабочий участок ВАХ в рассматриваемом устройстве невозможно, что осложняет задачу достижения его малого дифференциального сопротивления.

Еще одной функцией ДЗ является обеспечение перезаряда барьерной емкости управляющего р-n перехода ТЭУ, образованной частичными емкостями затвор-исток и затвор-сток. Исчезновение потенциального барьера в канале ТЭУ при включении устройства можно рассматривать как разряд емкости затвор-исток. Цепь разряда данной емкости включает МОП-транзистор и ДЗ. Очевидно, что остаточное напряжение на емкости не может быть менее напряжения отсечки ДЗ, то есть потенциал затвора ТЭУ остается запирающим.

После разряда емкости затвор-исток ТЭУ ДЗ оказывается шунтированным малым сопротивлением открытого МОП-транзистора и перестает проводить ток. Однако емкость затвор-сток управляющего р-n перехода ТЭУ остается заряженной практически до внешнего напряжения, и ток через прибор есть ток утечки управляющего р-n перехода. Обеспечить перезаряд данной емкости ДЗ не может, поэтому единственным поставщиком дырок для компенсации заряда акцепторов в р-области затвора является анодный р-n переход ТЭУ. Поскольку через этот переход протекает только ток утечки управляющего р-n перехода, напряжение на нем близко к нулю. Для перевода анодного р-n перехода в режим прямого смещения необходимо перезарядить его барьерную емкость, причем постоянная перезаряда определяется не только сопротивлением нагрузки, но и сопротивлением обедненного слоя в n-базе ТЭУ. Нетрудно оценить, что для приборов класса 600 - 1200 В площадью около 1 см² характерная величина емкости анодного р-n перехода не менее 10⁴ пФ/см², причем с введением "стоп-слоя" в базе ТЭУ она возрастает. Учет одного лишь сопротивления нагрузки порядка 10 Ом дает постоянную перезаряда данной емкости порядка 100 нс. Сопротивление обедненного слоя значительно увеличивает постоянную перезаряда. При таких длительностях процесса включения коммутационные потери мощности рассматриваемого устройства будут значительно больше, чем у уже существующих ключевых приборов с полевым управлением.

Наконец, отметим, что введение МОП-транзистора в область затвора ТЭУ таким образом, как это показано в [4], приводит к появлению паразитной тиристорной структуры. Шунтирование катодного р-n перехода данного тиристора исключено, так как привело бы к появлению общей точки у истока МОП-транзистора и затвора ТЭУ, то есть к шунтированию ДЗ. В результате предлагаемая структура подвержена эффекту "защелкивания", то есть потере управления при неконтролируемом включении паразитного тиристора, аналогично тому, как это имело место в первых образцах биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). С учетом данного соображения работоспособность предложенного в [4] технического решения вызывает сомнения.

В технологическом отношении рассматриваемое техническое решение можно охарактеризовать как весьма сложное, так как данный кристалл эквивалентен кристаллу биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), в который введен ряд дополнительных областей.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении статических и коммутационных потерь мощности на ключевом устройстве при одновременном упрощении его технологии.

Технический результат достигается тем, что в полупроводниковом ключевом устройстве с полевым управлением, включающем тиристор с электростатической индукцией (ТЭУ) и МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, а также регулирующий напряжение элемент, соединенные между собой таким образом, что сток тиристора с электростатической индукцией подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку МОП-транзистора, затвор ТЭУ через регулирующий напряжение элемент связан с истоком МОП-транзистора, который, в свою очередь, подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, а затвор МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, введен конденсатор, подключенный между затворами ТЭУ и МОП-транзистора, в качестве регулирующего напряжение элемента применен по крайней мере один импульсный диод, анод которого подключен к затвору ТЭУ, а катод - к общей шине, при этом ТЭУ, МОП-транзистор и импульсный диод выполнены в виде отдельных кристаллов и вместе с конденсатором размещены на общей изолирующей подложке.

Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением содержит по крайней мере два МОП-транзистора, параллельно соединенных между собой.

Признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:
- в устройство введен конденсатор, подключенный между затворами ТЭУ и МОП-транзистора,
- в качестве регулирующего напряжение элемента применен по крайней мере один импульсный диод,
- анод импульсного диода подключен к затвору ТЭУ, а катод - к общей шине,
- тиристор с электростатической индукцией, МОП-транзистор и импульсный диод выполнены в виде отдельных кристаллов и вместе с конденсатором размещены на общей изолирующей подложке,
- устройство содержит по крайней мере два параллельно включенных МОП-транзистора.

В известных технических решениях не обнаружены признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа.

Положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в нижеследующем:
1. Снижение уровня статических потерь мощности на открытом ключевом устройстве при тех же предельно допустимых напряжениях и токах, что у прототипа, за счет уменьшения сопротивления низковольтного МОП-транзистора путем снижения его предельно допустимого напряжения сток-исток, в том числе за счет введения импульсного диода, и увеличения площади кристалла МОП-транзистора, при одновременном повышении коэффициента блокирования ТЭУ и параллельного включения нескольких МОП-транзисторов благодаря разделению ТЭУ и МОП-транзистора на отдельные кристаллы.

2. Уменьшение коммутационных потерь мощности при тех же основных электрофизических параметрах базовой области ТЭУ, что у прототипа, за счет снижения времени включения ТЭУ, достигаемого путем введения конденсатора, подключенного между затворами ТЭУ и МОП-транзистора.

3. Упрощение технологии изготовления устройства за счет его разделения на более простые в технологическом отношении элементы.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг.1 - схема гальванических соединений электрофизических областей элементов, составляющих КСМТ.

Фиг.2 - принципиальная электрическая схема КСМТ.

Фиг. 3 - принципиальная электрическая схема КСМТ, содержащего несколько МОП-транзисторов.

фиг.4 - пример практического исполнения КСМТ.

Полупроводниковое ключевое устройство (КСМТ) содержит высоковольтный тиристор с электростатической индукцией 1 (ТЭУ), включенный последовательно с ним низковольтный МОП-транзистор 2 и регулирующий напряжение элемент 3 (фиг. 1). Кристалл ТЭУ содержит электрофизические области истока 4, стока 5 и затвора 6. Кристалл МОП-транзистора содержит электрофизические области истока 7, канала 8, стока 9 и затвор 10.

Омические контакты к электрофизическим областям ТЭУ обеспечиваются нанесенными на их поверхности слоями металлизации: истоковой 11, стоковой 12 и затворной 13. Кроме того, структура тиристора с электростатической индукцией содержит n-базу 14, управляющий р-n переход 15 и стоковый р⁺-n переход 16. Электрофизические области МОП-транзистора также снабжены контактной металлизацией: истоковой 17 и стоковой 18; затвор 10 изолирован от поверхности структуры слоем диэлектрика 19, а металлизированная область контакта к затвору МОП-транзистора не показана.

ТЭУ и МОП-транзистор соединены между собой следующим образом (фиг.1,2): сток 12 ТЭУ подключен к первому силовому выводу А, исток 11 ТЭУ присоединен к стоку 18 МОП-транзистора, затвор 13 ТЭУ через регулирующий напряжение элемент 3 связан с истоком 17 МОП-транзистора, а исток МОП-транзистора, в свою очередь, подключен ко второму силовому выводу К, который является общей шиной. Затвор МОП-транзистора 10 подключен к третьему управляющему выводу устройства УЭ. Между затвором ТЭУ и затвором МОП-транзистора включен конденсатор 20. Все элементы устройства размещены на общей изолирующей подложке 21 (фиг.4).

ТЭУ, МОП-транзистор и импульсный диод выполнены в виде отдельных кристаллов или приборов и вместе с конденсатором размещены на общей изолирующей подложке.

В качестве регулирующего напряжение элемента применен по меньшей мере один импульсный диод, анод которого подключен к затвору ТЭУ 13, а катод - к общей шине К.

КСМТ также может содержать несколько параллельно включенных МОП-транзисторов (фиг.3).

Заявляемое ключевое устройство работает следующим образом.

Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке при наличии положительного потенциала на первом силовом выводе А. Аналогичным образом работает, в частности, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).

С учетом асимметричного характера работы устройства в дальнейшем рассмотрении будем полагать, что потенциал на первом силовом выводе А положителен, а второй силовой вывод К заземлен:
U_AK≥0 (7),
где U_AK - напряжение между выводами А и К устройства, В.

Блокированное состояние полупроводникового ключевого устройства реализуется в отсутствии сигнала на третьем силовом управляющем выводе УЭ, соединенном с затвором 10 МОП-транзистора 2. В этом случае последний находится в закрытом состоянии с высоким выходным сопротивлением и ток через него не протекает. Отсутствие тока через МОП-транзистор 2 означает, что ток истока тиристора с электростатической индукцией 1 равен нулю. Следовательно, инжекция электронов в n-базу 14 ТЭУ отсутствует. В силу принципа электронейтральности невозможна и инжекция дырок из р⁺-области стока 5 ТЭУ в n-базу 14. Исключается и возможность протекания тока в цепи сток-затвор ТЭУ, поскольку эквивалентный транзистор оказывается в режиме оборванной базы.

Обозначим внешнее напряжение, приложенное к устройству, символом Е. Когда ток через устройство отсутствует
Е=U_АК=U_{DS ТЭУ}+U_{DS МОП} (8).

Принимая во внимание выражение (1) и учитывая, что в подавляющем большинстве случаев имеет место
U_{DS ТЭУ}>U_BDZ (9),
нетрудно сделать вывод, что единственно возможным путем снижения предельно допустимого напряжения МОП-транзистора является увеличение коэффициента блокирования ТЭУ. В предлагаемом техническом решении не существует физических или технологических причин, препятствующих достижению любой необходимой величины коэффициента блокирования ТЭУ, что позволяет использовать МОП-транзистор 2 с минимальным допустимым напряжением сток-исток. Как следует из (2), это позволяет получать минимальное сопротивление открытого МОП-транзистора.

Открытое состояние полупроводникового ключевого устройства достигается подачей положительного напряжения на третий управляющий вывод УЭ, соединенный с затвором 10 МОП-транзистора 2, вследствие чего последний оказывается в открытом состоянии с малым выходным сопротивлением R_DS(ON) и через него протекает ток. Ток стока МОП-транзистора, равный току истока тиристора с электростатической индукцией, создает инжекцию электронов в n-базу 14 ТЭУ, вызывая ответную инжекцию дырок из его стокового р⁺-n перехода 16. Падение напряжения на открытом ТЭУ оказывается близким к падению напряжения на диоде с идентичными параметрами электрофизических областей. Общее падение напряжения на открытом устройстве составит
U_АК=U_{DS ТЭУ}+I_DR_DS(ON) (10).

Выше отмечалось, что в реальном случае пренебрегать даже малым падением напряжения на открытом МОП-транзисторе нельзя, так как оно создает положительный потенциал на истоке тиристора с электростатической индукцией, переводя ТЭУ из ключевого режима работы в активный режим.

Для подавления этого эффекта служит импульсный диод 3. При линейной аппроксимации прямой ветви ВАХ импульсного диода 3 падение напряжения на нем в области малых токов можно принять равным его напряжению отсечки U_D0. Потенциал затвора тиристора с электростатической индукцией при наличие импульсного диода 3 также равен U_D0, и при выполнении условия
I_DR_DS(ON)<U (11)
запирание ТЭУ по затвору отсутствует. Поскольку ТКН напряжения отсечки импульсного диода отрицателен, а ТКН сопротивления МОП-транзистора, напротив, положителен, с ростом температуры неравенство (11) может нарушаться. Чтобы исключить такую возможность, достаточно включить последовательно несколько импульсных диодов. При известных температурных характеристиках импульсного диода 3 и МОП-транзистора 2 и заданной предельно допустимой рабочей температуре прибора нужное количество последовательно соединенных импульсных диодов определяется соотношением
n>I_МАХR_DS(ON)(T_max)/U_D0(T_MAX) (12),
где n - количество последовательно соединенных импульсных диодов, шт.,
I_МАХ - предельно допустимый импульсный ток устройства, А,
Т_МАХ - предельно допустимая рабочая температура устройства, ^oС.

При последовательном включении нескольких импульсных диодов их общее дифференциальное сопротивление увеличивается. Данный эффект может быть компенсирован увеличением площади импульсных диодов, что мало сказывается на размерах и стоимости устройства в целом.

Включение полупроводникового ключевого устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод УЭ.

При больших значениях коэффициента блокирования μ в блокированном режиме работы ТЭУ барьерная емкость управляющего р-n перехода 15 заряжена до напряжения, практически равного +Е:
E=U_АК=U_{DS ТЭУ}+U_{DS MОП}≈U_{DG ТЭУ} (13),
где U_{DG ТЭУ} - напряжение затвор-сток ТЭУ, В.

Чтобы открыть устройство, эту емкость нужно разрядить. Цепь перезаряда указанной емкости (фиг.1) образована р-областью затвора 6, импульсным диодом 3, параллельно которому через внутреннее сопротивление источника управляющего напряжения включен конденсатор 20, МОП-транзистором 2 и истоком 4 тиристора с электростатической индукцией 1. Для импульсного диода 3 ток перезаряда барьерной емкости управляющего р-n перехода 15 ТЭУ оказывается протекающим в обратном направлении.

Положительный импульс управляющего напряжения, подаваемый через вывод УЭ, поступает как на затвор 10 МОП-транзистора 2, так и через конденсатор 20 в общую точку между затвором ТЭУ и анодом импульсного диода. Пока напряжение на затворе 10 МОП-транзистора не достигнет порогового, конденсатор 20 заряжается через импульсный диод 3. Напряжение отсечки импульсного диода выше порогового напряжения МОП-транзистора 2, поэтому до включения последнего ток через импульсный диод определяется зарядом его барьерной емкости. После включения МОП-транзистора ток через импульсный диод начинает уменьшаться, поскольку параллельно ему включается цепь, образованная барьерной емкостью управляющего р-n перехода 15 и МОП-транзистором 2. Следовательно, время задержки устройства при включении примерно равно времени задержки включения МОП-транзистора, составляющему типично 10-20 нc.

После включения МОП-транзистора 2 ток, протекающий через конденсатор 20, будет, в основном, замыкаться через нелинейную барьерную емкость управляющего р-n перехода 15 ТЭУ и открытый МОП-транзистор. Потенциал затвора ТЭУ при этом положителен и стремится к напряжению отсечки импульсного диода 3. Источник управляющего напряжения при условии R_DS(ON)< перезаряжает суммарную эквивалентную емкость с постоянной времени
τ=R_Г{[С•(С_З+С_Д)]/(С+С_З+С_Д)+С_{BX МОП}} (14),
где τ - постоянная времени перезаряда эквивалентной емкости, с,
R_Г - внутреннее сопротивление источника управляющего напряжения, Ом,
С - емкость конденсатора 20, Ф,
C_З - барьерная емкость управляющего р-n перехода ТЭУ, Ф,
С_Д - барьерная емкость импульсного диода, Ф,
С_{BX МОП} - входная емкость МОП-транзистора.

Заряд, накапливаемый конденсатором 20, должен быть не меньше заряда, накопленного барьерной емкостью управляющего р-n перехода ТЭУ. С учетом этого можно оценить емкость конденсатора 20:
С≥qN_DSW/E_D (15),
где q - заряд электрона, Кл,
N_D - концентрация легирующей примеси в базе 14 ТЭУ, см^-3,
S - площадь управляющего р-n перехода 15 ТЭУ, см²,
W - ширина базы 14 ТЭУ, см,
E_D - напряжение управляющего источника (драйвера), В.

Полагая N_D=10¹⁴ см^-3, S=0,5 см², W=0,01 см, Е_D=15 В, получим, что С≥5000 пФ. Для МОП-транзисторов класса 50 В/100 А типичны С_{ВХ МОП}≈4000 пФ.

Чтобы оценить постоянную времени τ, положим, в первом приближении
С=С_{ВХ МОП} (16).

В таком случае
τ≤2C(R_DS(ON)+R_Г)≅2CR_Г(17).

При R_Г=2,5 Ом, что типично для драйверов МОП-транзисторов, получим τ≤20 нс.

Далее развивается процесс перезаряда емкости стокового p⁺-n перехода 16 ТЭУ через сопротивление нагрузки и сопротивление базы 14. Поскольку обедненного слоя в базе при этом нет, ее сопротивление относительно невелико. Для ТЭУ класса 1200 В/50 А сопротивление немодулированной базы примерно 1,0 Ом, тогда как сопротивление нагрузки типично на порядок выше. В таком случае условие включения по спаду прямого напряжения на приборе с 90 до 10% выполняется даже в отсутствии модуляции базы. При некотором увеличении емкости конденсатора 20 поступающий в базу ТЭУ заряд может превысить заряд ионов легирующей примеси и вызвать модуляцию сопротивления базы в отсутствии инжекции из стокового p⁺-n перехода. То есть время нарастания при включении устройства определяется постоянной времени перезаряда суммарной эквивалентной емкости τ. Принимая время нарастания за 2-2,5τ, получим величину 40-50 нc.

Выключение устройства из открытого состояния в закрытое производится уменьшением напряжения на управляющем выводе УЭ, непосредственно соединенном с затвором 10 МОП-транзистора 2, до нуля. Происходит перезаряд входной емкости МОП-транзистора 2, после чего последний переходит в закрытое состояние с высоким выходным сопротивлением. Потенциал стока МОП-транзистора повышается, что вызывает рост потенциала истока 4 и n-базы 14 тиристора с электростатической индукцией 1. При выполнении условия
ϕ_{S ТЭУ}≥U_D0 (18),
где ϕ_{S ТЭУ} - потенциал истока ТЭУ, В,
импульсный диод 3 включится. Пренебрегая, в первом приближении, дифференциальным сопротивлением импульсного диода 3, можно считать неравенство (18) равенством. Время включения импульсного диода 3 не должно превышать времени выключения МОП-транзистора. В противном случае потенциал затвора ТЭУ не успеет измениться и ТЭУ останется в открытом состоянии с малым падением напряжения. Тогда все внешнее напряжение окажется приложенным к закрытому низковольтному МОП-транзистору, что приведет к пробою последнего и выходу устройства из строя. Это обстоятельство определяет необходимость использования импульсного диода с малым временем включения.

Проникающее в n-базу 14 через прямо смещенный р⁺-n переход стока 16 высокое напряжение Е вызывает обратное смещение на управляющем р-n переходе 15 тиристора с электростатической индукцией 1 и формирование обедненного слоя в n-базе 14. Инжекция электронов из истока 4 исключена, поскольку МОП-транзистор 2 закрыт, и дальнейший процесс выключения ТЭУ аналогичен выключению биполярного р-n-р транзистора с оборванной базой. Накопленный в обедненной области n-базы 14 тиристора с электростатической индукцией заряд дырок выносится по цепи затвор ТЭУ, импульсный диод 3, а заряд электронов уходит в область стока 5. В оставшейся электронейтральной части базы 14 избыточный заряд носителей рассасывается вследствие рекомбинации.

Из выражения (10) следует, что общее падение напряжения на открытом устройстве при заданном токе I определяется, в частности, падением напряжения на открытом МОП-транзисторе 2, а более конкретно выходным сопротивлением R_DS(ON) MOП-транзистора 2 в линейной области ВАХ. С целью уменьшения статических потерь мощности на открытом устройстве последнее может быть выполнено с несколькими параллельно включенными МОП-транзисторами, при этом исток тиристора с электростатической индукцией присоединен к общему стоку этих МОП-транзисторов, истоки МОП-транзисторов подключены к общей шине, а затворы - к управляющему выводу устройства, причем затворы всех МОП-транзисторов через конденсатор соединены с затвором тиристора с электростатической индукцией.

Пример конкретного исполнения устройства представлен на фиг.4. На общую изолирующую подложку 21, выполненную из алюмооксидной керамики и покрытую медной металлизацией, напаяны все элементы предлагаемого устройства. При этом использован высоковольтный ТЭУ 1 с предельно допустимым напряжением сток-исток 1000 В, коэффициентом блокирования до 100 и максимально допустимым током стока 50 А. Размер кристалла ТЭУ 5х7 мм. В качестве низковольтного МОП-транзистора 2 использован КП742Б, имеющий максимально допустимое напряжение сток-исток 50 В, пороговое напряжение ÷4 В, максимально допустимый постоянный ток стока 80 А, сопротивление сток-исток в открытом состоянии не более 0,012 Ом. Конденсатор 20, имеющий емкость около 6000 пФ при максимально допустимом напряжении 25 В, серийно производится предприятиями РФ. Примененный галетный импульсный диод 3 имеет импульсный ток 80 А, время включения не более 5 нc. Все соединения элементов выполнены ультразвуковой сваркой при помощи алюминиевой проволоки ⊘ 300 мкм, присоединенной к контактным площадкам соответствующих элементов.

Керамическая плата в собранном виде помещается в корпус, например, транзисторный типа "Изотоп" (на фиг.4 не показан).

Оценить преимущества заявляемого решения перед прототипом путем непосредственного сравнения основных параметров не представляется возможным, поскольку ни в работе [4], ни в иных, известных публикациях конкретные характеристики прибора не приводятся.

В прототипе МОП-транзистор, встроенный в ячейку ТЭУ, объективно не оптимален с топологической точки зрения. Учитывая сложность ячейки даже наиболее простого, планарного варианта, стоимость подобного монолитного прибора превысит стоимость всех известных типов ключей. Уменьшение размеров чипа снизит его абсолютную стоимость, но одновременно должны быть снижены и предельные токи, поскольку снижается площадь МОП-структуры, либо увеличены потери мощности на приборе за счет роста R_DS(ON) МОП-транзистора.

В то же время в заявляемом решении возможно использование кристаллов наиболее совершенных МОП-транзисторов, а также замена кристалла дорогого МОП-транзистора с особо малым R_DS(ON) нa несколько более простых и дешевых кристаллов с более высокими R_DS(ON), включенных параллельно. При этом мощность потерь на открытом устройстве не изменится.

Разделение кристаллов ТЭУ, МОП-транзистора и регулирующего напряжение элемента позволяет оптимизировать конструкцию каждого из этих приборов и снизить мощность статических и коммутационных потерь на открытом устройстве при меньших затратах на его производство.

Преимуществами заявляемого решения перед прототипом также являются:
- очевидно более простая технология изготовления всех образующих его элементов,
- отсутствие незашунтированной паразитной четырехслойной тиристорной структуры и связанного с этим эффекта "защелкивания",
- возможность изготовления устройства в различных вариантах (на дискретных приборах, в гибридном исполнении, в том числе в серийных транзисторных корпусах, в модульном и бескорпусном исполнении),
- гибкость оптимизации по критериям "качество - стоимость" путем выбора типа и количества МОП-транзисторов и импульсных диодов, а также варианта исполнения устройства.

Заявляемое устройство в серийном транзисторном корпусе "Изотоп" обеспечивает коммутацию токов до 50 А при напряжении до 1000 В. Падение напряжения на открытом устройстве составляет 1,6-2,0 В при токе 20 А. Времена нарастания и спада тока 50-100 нc, длительность стадии рассасывания заряда ("хвост" тока) 300-400 нc.

Источники информации
1. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Пер. с англ. /Под ред. И. В. Грехова. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград. отд-ние, 1986.

2. Б. Дж. Балига. Эволюция техники силовых МОП-биполярных полупроводниковых приборов. - ТИИЭР, 1988, т. 76, с.117 - 127.

3. Выложенная заявка (А) Японии 1-278119, кл. Н 03 К 17/73, опубл. 08.11.1989.

4. Патент США 5323028 (прототип), кл. 257-136, опубл. 21.06.1994.

5. Ю.Н.Максименко. Разработка технологии и физико-математической модели транзистора со статической индукцией: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1988.

Формула изобретения

1. Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением, включающее тиристор с электростатической индукцией (ТЭУ) и МОП-транзистор, содержащие каждый исток, сток и затвор, а также регулирующий напряжение элемент, соединенные между собой таким образом, что сток тиристора с электростатической индукцией подключен к первому силовому выводу, исток ТЭУ присоединен к стоку МОП-транзистора, затвор ТЭУ через регулирующий напряжение элемент связан с истоком МОП-транзистора, который, в свою очередь, подключен ко второму силовому выводу, служащему общей шиной, а затвор МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, отличающееся тем, что в устройство введен конденсатор, подключенный между затворами ТЭУ и МОП-транзистора, в качестве регулирующего напряжение элемента применен по крайней мере один импульсный диод, анод которого подключен к затвору ТЭУ, а катод - к общей шине, при этом ТЭУ, МОП-транзистор и импульсный диод выполнены в виде отдельных кристаллов и вместе с конденсатором размещены на общей изолирующей подложке.

2. Полупроводниковое ключевое устройство с полевым управлением по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит по крайней мере два МОП-транзистора, параллельно соединенных между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4