Высоковольтный импульсный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при конструировании высоковольтных импульсных полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения с малым значением динамического сопротивления и увеличенной энергией лавинного пробоя. Техническим результатом изобретения является увеличение энергии лавинного пробоя высоковольтных импульсных ограничителей напряжения. Сущность изобретения: высоковольтный импульсный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения содержит m одинаковых последовательно соединенных в виде столба низковольтных симметричных ограничителей напряжения, каждый из которых содержит базовую область данного типа проводимости и прилегающие к ней верхнюю и нижнюю эмиттерные области с типом проводимости, противоположным базовой области, и защищен от поверхностного пробоя фаской. К верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения и нижней эмиттерной области нижнего низковольтного ограничителя изготовлены омические контакты. У каждого низковольтного ограничителя напряжения по периферии всех верхних и нижних эмиттерных областей изготовлены дополнительные диффузионные области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базовой области, таким образом, что напряжение лавинообразования р-n-переходов этих областей (U_{BR 7,8}) и максимальное напряжение на р-n-переходе верхних и нижних эмиттерных областей в режиме лавинного пробоя (U_{BRSM 2,3}) связаны соотношением U_{BR 7,8}>U_{BRSM 2,3}, при этом дополнительные диффузионные области изготовлены таким образом, что размеры верхних и нижних эмиттерных областей у всех низковольтных симметричных ограничителей напряжения одинаковы и равны верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения, а их центры расположены на одной оси симметрии. 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при конструировании высоковольтных импульсных полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения с малым значением динамического сопротивления и увеличенной энергией лавинного пробоя.

Известно, что для защиты от перенапряжений и равномерного деления напряжения между последовательно включенными силовыми полупроводниковыми приборами параллельно каждому из них подключают полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения, имеющий транзисторную р-n-р-структуру [1]. После того, как нарастающее напряжение, прикладываемое к полупроводниковому прибору и ограничителю напряжения, достигнет напряжения лавинообразования (U_BR), обратно смещенного р-n-перехода ограничителя напряжения, в нем начнется лавинный пробой и величина его динамического сопротивления (R_D) резко снизится. Это позволяет сохранить величину напряжения на защищаемом приборе на уровне, определяемом из соотношения

где U_BRSM - максимальное напряжение лавинообразования при токе I_RSM;

I_RSM - максимально допустимый ток лавинообразования.

Недостатком этого ограничителя напряжения является то, что он имеет высокое динамическое сопротивление в режиме лавинного пробоя. В результате чего уровень напряжения на защищаемом приборе при токах в несколько сот ампер (I_R≥100 А) становится недопустимо большим, что может привести к разрушению защищаемого силового полупроводникового прибора. Кроме того, высокое динамическое сопротивление способствует увеличению напряжения на ограничителе напряжения, а следовательно, к выделению в нем недопустимо большой мощности, что может привести его к пробою.

Известен также высоковольтный импульсный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения, состоящий из m последовательно соединенных в виде столба низковольтных симметричных ограничителей напряжения, каждый из которых имеет базовую область, а также верхнюю и нижнюю эмиттерные области, защищенные от поверхностного пробоя фаской [2]. Величина динамического сопротивления этого ограничителя напряжения в режиме лавинного пробоя при равных значениях U_BR снижена в m раз по сравнению с [1]. Это позволяет использовать такие ограничители напряжения для защиты от перенапряжений современных импульсных полупроводниковых приборов, как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или запираемые тиристоры (GTO, IGCT).

Однако у этого высоковольтного ограничителя напряжения размеры эмиттерных областей всех низковольтных ограничителей напряжения ограничены фаской, поэтому размеры этих областей у вышерасположенных низковольтных ограничителей меньше, чем у нижних. Вследствие этого, когда высоковольтный ограничитель напряжения находится в состоянии лавинного пробоя, плотность тока лавинообразования у вышерасположенных низковольтных ограничителей напряжения в области фаски оказывается больше, чем в центральной области. Это обусловлено тем, что в области фаски наряду с нормальной компонентой тока лавинообразования (I_Rn) возникает тангенциальная компонента (I_Rt), обусловленная током лавинообразования периферийных областей низковольтных ограничителей напряжения, лежащих ниже (см. фиг.1).

Максимальное значение тока лавинообразования достигает у верхнего низковольтного ограничителя в области края верхнего омического контакта, обозначенной на фиг.1 буквой А. Увеличение плотности тока в области А приводит к тому, что температура в этой области оказывается выше, чем в центральной области, обозначенной на фиг.1 буквой В. Так как при работе прибора температура в нем не должна превышать максимально допустимое значение, вышеописанное явление снижает допустимую температуру и величину тока лавинообразования в центральной области В и, следовательно, энергии лавинообразования (Q_a). Поэтому у [2] величина Q_a оказывается недостаточной.

Задачей данного изобретения является увеличение энергии лавинного пробоя высоковольтных импульсных полупроводниковых симметричных ограничителей напряжения (в дальнейшем - высоковольтный ограничитель напряжения).

Указанная задача достигается тем, что высоковольтный импульсный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения изготовляется состоящим m одинаковых последовательно соединенных в виде столба низковольтных симметричных ограничителей напряжения, каждый из которых содержит базовую область и прилегающие к ней верхнюю и нижнюю эмиттерные области с типом проводимости, противоположным базовой области, защищенный от поверхностного пробоя фаской. При этом к верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения и нижней эмиттерной области нижнего низковольтного ограничителя изготовлены омические контакты. Для увеличения энергии лавинного пробоя у каждого низковольтного ограничителя напряжения по периферии всех верхних и нижних эмиттерных областей изготовлены дополнительные диффузионные области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базовой области, таким образом, что напряжение лавинообразования р-n-переходов этих областей (U_{BR 7,8}) и максимальное напряжение на р-n-переходе верхних и нижних эмиттерных областей в режиме лавинного пробоя (U_{BRSM 2,3}) связаны соотношением

При этом дополнительные диффузионные области изготовлены таким образом, что размеры верхних и нижних эмиттерных областей у всех низковольтных симметричных ограничителей напряжения одинаковы и равны верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения, а их центры расположены на одной оси симметрии (см. фиг.2 и 3).

На фиг.2 изображен вариант конструкции предлагаемого высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя, где

1 - базовый слой р-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

2 - верхняя эмиттерная область n-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

3 - нижняя эмиттерная область n-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

4 - краевая фаска;

5 - верхний омический контакт к высоковольтному ограничителю напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя;

6 - нижний омический контакт к высоковольтному ограничителю напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя;

7 - верхняя дополнительная диффузионная область низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

8 - нижняя дополнительная диффузионная область низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

9 - верхний р-n-переход низковольтных симметричных ограничителей напряжения;

10 - нижний р-n-переход низковольтных симметричных ограничителей напряжения.

Предлагаемая конструкция, изображенная на фиг.2, работает следующим образом.

При приложении к высоковольтному ограничителю напряжения разности потенциалов прямой полярности так, что отрицательный потенциал прикладывается к омическому контакту (5), а положительный потенциал к омическому контакту (6), на всех низковольтных симметричных ограничителях напряжения нижние р-n-переходы (n₁₂-p₁, n₂₂-р₂, ---, n_m2-р_m) (10) окажутся под обратным напряжением и в их окрестности начнет образовываться область объемного заряда.

На фиг.4 представлена вольтамперная характеристика каждого низковольтного симметричного ограничителя напряжения.

До тех пор, пока величина напряжения, приложенного к низковольтному ограничителю напряжения будет меньше, чем U_{BR 2,3} (участок ОА фиг.4), в обратно смещенных р-n-переходах низковольтных симметричных ограничителей не будет лавинообразования, и их динамическое сопротивление, а также динамическое сопротивление высоковольтного ограничителя будет очень большим.

После того, как напряжение на низковольтном симметричном ограничителе напряжения достигнет величины U_{BR 2,3}, в нем начнется лавинный пробой. Величина его динамического сопротивления и, следовательно, высоковольтного ограничителя напряжения резко снизится (участок А₁В - фиг.4), и, в основном, она будет определяться величинами дифференциальных сопротивлений обратносмещенных р-n-переходов низковольтных ограничителей напряжения, находящихся в состоянии лавинного пробоя. При этом лавинообразование в областях (8) будет отсутствовать, а область лавинообразования всех низковольтных ограничителей напряжения будет ограничена дополнительными диффузионными областями (8). Поэтому тангенциальная компонента тока будет отсутствовать и плотность тока лавинообразования будет одинакова по всей площади структуры. Это исключает перегрев в области края верхнего омического контакта А (см. фиг.1).

Особенностью конструкции предлагаемого высоковольтного ограничителя напряжения является то, что за счет равномерного распределения плотности тока лавинообразования по площади его структуры величина допустимой плотности тока лавинообразования оказывается больше, чем для ограничителя напряжения известных конструкций [2]. Поэтому энергия лавинного пробоя такого ограничителя напряжения оказывается больше, чем у известных ограничителей напряжения [2].

При приложении к высоковольтному ограничителю напряжения разности потенциалов обратной полярности, так что положительный потенциал прикладывается к омическому контакту (5), а отрицательный потенциал к контакту (6), на всех низковольтных симметричных ограничителях напряжения верхние р-n-переходы (9) окажутся под обратным потенциалом. Так как верхние (9) и нижние р-n-переходы (10) низковольтных симметричных ограничителей напряжения одинаковы, то вольтамперная характеристика высоковольтного ограничителя напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя при приложении к нему напряжения обратной и прямой полярности будет симметричной - участки ОС, СД и ОА₁, A₁B - фиг.4, а протекающие в нем процессы будут аналогичны описанным выше.

На фиг.3 показан другой вариант высоковольтного импульсного ограничителя напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя, где

1 - базовый слой n-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

2 - верхняя эмиттерная область р-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

3 - нижняя эмиттерная область р-типа проводимости низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

4 - краевая фаска;

5 - верхний омический контакт к высоковольтному ограничителю напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя;

6 - нижний омический контакт к высоковольтному ограничителю напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя;

7 - дополнительная диффузионная область верхнего р-n-перехода низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

8 - дополнительная диффузионная область нижнего р-n-перехода низковольтного симметричного ограничителя напряжения;

9 - верхний р-n-переход низковольтных симметричных ограничителей напряжения;

10 - нижний р-n-переход низковольтных симметричных ограничителей напряжения.

В высоковольтном ограничителе напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя, изображенном на фиг.4, базовые области низковольтных симметричных ограничителей напряжения имеют n-тип проводимости, а эмиттерные - р-тип. Поэтому при приложении к высоковольтному ограничителю напряжения разности потенциалов прямой полярности напряжение будет прикладываться к верхним р-n-переходам (р₁₁-n₁, р₂₁-n₂, ---, p_m1-n_m) (9), а при приложении обратной полярности - к верхним (10). В остальном работа высоковольтного ограничителя напряжения, у которого низковольтные симметричные ограничители напряжения имеют базовую область n-типа, аналогична работе высоковольтного ограничителя напряжения, у которого низковольтные симметричные ограничители напряжения имеют базовую область р-типа (см. фиг.2).

Была изготовлена партия (50 шт.) высоковольтных импульсных ограничителей напряжения на кремнии n-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ_n=2 Ом·см, состоящие из трех низковольтных симметричных ограничителей напряжения с диаметром кристалла 24 мм. Эмиттерные области низковольтных симметричных ограничителей напряжения изготовлялись диффузией бора на глубину 60 мкм. Для защиты от поверхностного пробоя снималась фаска под углом 21°.

В соответствии с предлагаемым изобретением у половины из партии высоковольтных импульсных ограничителей напряжения (25 шт.) были изготовлены диффузией алюминия на глубину 90 мкм дополнительные диффузионные области.

На изготовленных образцах были измерены основные характеристики высоковольтных импульсных ограничителей напряжения. Средние по партиям результаты измерений показаны в таблице.

Таблица Средние по партиям результаты измерений основных параметров высоковольтных импульсных ограничителей напряжения
Тип прибора	UBR, В	IRSM, А	RD, Ом	Qa, Дж
Высоковольтный импульсный ограничитель напряжения без дополнительной диффузионной области [2]	1100	750	0,2	15
Высоковольтный импульсный ограничитель напряжения с увеличенной энергией лавинного пробоя (с дополнительной диффузионной областью)
1100	1500	0,2	30

Из таблицы видно, что величина энергии лавинного пробоя высоковольтного импульсного ограничителя напряжения предлагаемой конструкции вдвое превышает энергию лавинного пробоя известных ограничителей напряжения [2] с тем же напряжением лавинообразования и диаметром выпрямительного элемента.

Литература

1. Short Form Catalogue / "POLOVODIČE". - Prague, 2003. - 48 p.

2. Патент, Россия, № 2213392, 7 Н 01 L 29/861, заявка №2002108163/28 // Гейфман Е.М., Чибиркин В.В., Елисеев В.В., Максутова С.А., Лебедева Л.В., Гарцев Н.А. Высоковольтный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения. - Опубл. 27.09.2003.

Высоковольтный импульсный полупроводниковый симметричный ограничитель напряжения, содержащий m одинаковых последовательно соединенных в виде столба низковольтных симметричных ограничителей напряжения, каждый из которых содержит базовую область данного типа проводимости и прилегающие к ней верхнюю и нижнюю эмиттерные области с типом проводимости, противоположным базовой области, защищенный от поверхностного пробоя фаской, при этом к верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения и нижней эмиттерной области нижнего низковольтного ограничителя изготовлены омические контакты, отличающийся тем, что у каждого низковольтного ограничителя напряжения по периферии всех верхних и нижних эмиттерных областей изготовлены дополнительные диффузионные области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базовой области, таким образом, что напряжение лавинообразования р-n-переходов этих областей (U_{BR 7,8}) и максимальное напряжение на р-n-переходе верхних и нижних эмиттерных областей в режиме лавинного пробоя (U_{BRSM 2,3}) связаны соотношением

при этом дополнительные диффузионные области изготовлены таким образом, что размеры верхних и нижних эмиттерных областей у всех низковольтных симметричных ограничителей напряжения одинаковы и равны верхней эмиттерной области верхнего в столбе низковольтного ограничителя напряжения, а их центры расположены на одной оси симметрии.