Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора



Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора

 


Владельцы патента RU 2474926:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения. Сущность изобретения: способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора с полупроводниковой структурой, содержащей триодную зону р+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р+-n-р-n+-типа, включает локальное облучение протонами с использованием специального экрана и последующий термический отжиг с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя, при этом глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из эмпирических выражений в зависимости от удельного сопротивления исходного кремния, разброса его значений и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода. Изобретение позволяет снизить трудоемкость процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повысить процент выхода годных приборов. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения.

Известен способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [1] (патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-p-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-р-n+-типа, облучают, используя специальные маски, заряженными частицами (протонами или ядрами гелия) с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа локальной области с повышенной концентрацией генерационно-рекомбинационных центров (ГРЦ). Границу области с повышенной концентрацией ГРЦ со стороны эмиттерного n+-слоя располагают от поверхности этого слоя на глубине do [мкм], превышающей глубину залегания коллекторного р-n-перехода xjc [мкм]. Значение напряжения переключения прибора UBO [В] регулируют величиной do. При повышении напряжения на приборе ток генерации электронно-дырочных пар в триодной p+-n-p-зоне выше, чем в тиристорной p+-n-р-n+-зоне, что приводит к переключению прибора по аноду в той же области, что и при включении управляющим сигналом, и предотвращает разрушение прибора.

Недостатком описанного способа является низкая температурная стабильность напряжения переключения, так как ток утечки, обусловленный генерацией электронно-дырочных пар на ГРЦ и приводящий к переключению тиристора, очень сильно зависит от температуры (удваивается при повышении температуры через каждые 8÷15°С).

Наиболее близким является способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [2] (патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-р-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя.

Формирование в указанной части базового n-слоя водородсодержащих доноров (ВСД) приводит к уменьшению удельного сопротивления кремния и, соответственно, к снижению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в пределах триодной зоны p+-n-р-типа. В случае перенапряжения ток лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в этой зоне играет роль внешнего тока управления для окружающей ее тиристорной зоны и приводит к ее переключению.

Данное техническое решение устраняет недостаток описанного выше способа [1]. Однако в [2] отсутствуют соответствующие выражения, позволяющие рассчитать оптимальную глубину залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое hmопт [мкм] и дозу протонов [см-2] в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc [Ом·см], максимального относительного его разброса и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода. Это затрудняет практическую реализацию решения, предложенного в [2], поскольку в каждом случае требуется экспериментальный подбор hmопт и Фnb.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение трудоемкости процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повышение процента выхода годных приборов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p+-n-p-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из эмпирических выражений:

где

kвсд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;

ρnc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;

δρn - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρnnmaxnc-1=1-ρnminnc; ρnmax и ρnmin - соответственно численные значения максимального и минимального значении удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;

ρne и δρne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;

kн - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода после облучения Vbr [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения Vbro [В].

Среднее, максимальное и минимальное значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc, ρnmax и ρnmin определяются по площади исходной кремниевой пластины.

Признаком, отличающим данное техническое решение от прототипа, является то, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hmопт [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из выражений (1) и (2) с учетом (3), (4) и (5).

Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.

Технический результат достигается тем, что:

1. При глубине залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое hm, равной hmопт, имеет место наиболее эффективное снижение Vbr при заданной дозе протонов, причем эффективность снижения Vbr уменьшается не более чем на 10% при изменении отношения hm/hmопт в интервале, оговоренном в выражении (1). Таким образом, выбор значения hm в соответствии с выражением (1) с учетом (3) позволяет при заданном значении kн использовать минимальную необходимую дозу протонов, то есть минимизировать длительность весьма дорогостоящего процесса протонного облучения. Кроме того, упрощается сам процесс облучения, так как не требуется жесткого соблюдения условия hm=hmопт.

2. Выбор дозы протонов в соответствии с выражением (2) с учетом (4) и (5), по меньшей мере, сокращает затраты на экспериментальный подбор дозы протонов для регулирования напряжения переключения силовых полупроводниковых приборов (СПП), изготовленных на основе пластин кремния с известными значениями среднего удельного сопротивления и его разброса. Более того, при высоком уровне технологии изготовления СПП, когда фактические значения их напряжений переключения практически совпадают с расчетными, данный способ позволяет облучать полупроводниковые структуры СПП до завершения процесса их изготовления, в частности до травления, очистки и пассивации их краевых фасок. Это снимает ограничение на температуру отжига структур после облучения и исключает брак, который имеет место при отжиге готовых структур вследствие изменения свойств пассивирующих покрытий фасок.

Приведенные эмпирические выражения для выбора глубины залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое и дозы протонов в зависимости от удельного сопротивления кремния, его разброса и заданного значения коэффициента kн получены на основе численных расчетов и многочисленных экспериментов.

На чертеже в качестве примера показана полупроводниковая структура СПП, изготавливаемая по предлагаемому способу.

Полупроводниковая структура 1 содержит анодный р+-слой 2, базовый n-слой 3 и базовый р-слой 4, образующие с кольцевыми эмиттерными n+-слоями 5 и 6 соответственно первую (вспомогательную) и вторую (основную) тиристорные зоны p+-n-р-n+-типа, окружающие триодную зону А p+-n-р-типа. Базовый n-слой 3 образует с анодным р+-слоем 2 анодный p+-n-переход 7, а с базовым р-слоем 4 - коллекторный р-n-переход 8. Эмиттерный n+-слой 6 образует с базовым р-слоем эмиттерный n+-р-переход 9 основной тиристорной зоны. Прибор содержит омические контакты 10, 11, 12 и 13 соответственно к анодному p+-слою, к эмиттерным n+-слоям 5, 6 и к р-слою триодной зоны А. Углы β и γ краевой фаски равны примерно 60°. Такой профиль краевой фаски исключает поверхностный пробой при обратном смещении коллекторного р-n-перехода, обеспечивая тем самым максимально возможные значения напряжения лавинного пробоя этого р-n-перехода (защитное покрытие краевого профиля и шунтировка эмиттерного n+-р-перехода основной тиристорной зоны на рисунке не показаны).

В качестве примера реализации предлагаемого способа проведено регулирование напряжения переключения прибора, полупроводниковая структура которого показана на чертеже. Диаметр полупроводниковой структуры был равен 24 мм. Приборы изготавливались по традиционной диффузионной технологии, используемой в отечественном производстве силовых полупроводниковых приборов. На одной кремниевой пластине диаметром 82 мм изготавливалось 7 приборов.

После изготовления приборы подвергались локальному облучению протонами и последующему термическому отжигу при температуре 270°С в течение 4 ч, что приводило к созданию в базовом n-слое в пределах триодной зоны А p+-n-р-типа области 14 (см. чертеж) с водородсодержащими донорами, максимум концентрации которых располагался на расстоянии hm от плоскости коллекторного р-n-перехода.

Всего было исследовано 7 вариантов реализации предлагаемого изобретения. Отличительные особенности вариантов и результаты их реализации представлены в табл.1.

Как следует из таблицы, исследованные варианты реализации предлагаемого изобретения можно подразделить на 3 группы. К первой группе относятся варианты 1 и 3, в которых доза протонов Фnb выбиралась в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρnc при hm=hmoпт, δρn=0,03 и kн=0,9. Ко второй группе относятся варианты 2, 4 и 5, которые отличались между собой только значением hm. Здесь доза протонов сохранялась неизменной. И, наконец, к третьей группе относятся варианты 6 и 7, в которых доза протонов выбиралась в зависимости от значения коэффициента kн при ρnc=200 Ом·см, δρn=0,05 и hm=hmoпт. При расчетах дозы протонов коэффициент kвсд в соответствии с экспериментальными данными был принят равным 7.

Таблица 1
Номер варианта ρnc, Ом·см δρn kн hmопт, мкм hm/hmопт Фnb, 1012 см-2 Vbro, В Vbr, В kнэ=Vbr/Vbro
1 100 0,03 0,9 76 1 1,1 2790 2470 0,885
2 200 0,03 0,9 124 1 0,96 4680 4160 0,889
3 350 0,03 0,9 188 1 0,9 7140 6520 0,913
4 200 0,03 0,9 124 0,6 0,96 4680 4320 0,923
5 200 0,03 0,9 124 1,5 0,96 4680 4305 0,92
6 200 0,05 0,9 124 1 1,15 4605 4070 0,884
7 200 0,05 0,95 124 1 0,8 4605 4330 0,94

В последних трех столбцах табл.1 приведены значения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода до облучения (Vbro), после облучения протонами (Vbr) и их отношение, представляющее собой экспериментальное значение коэффициента kн (kнэ). Видно, что даже в случае вариантов 4 и 5 значения коэффициента kнэ отличаются от заданного значения коэффициента kн=0,9 менее чем на 3%, и даже от значения kнэ в случае варианта 2 - менее чем на 4%.

В заключение заметим, что прибор, представленный на фигуре, без внешнего управляющего вывода представляет собой динистор, а с внешним управляющим выводом, контактирующим с металлизацией 13 триодной зоны А, - тиристор. Этот же прибор с фотоокном вместо металлизации 13 триодной зоны А представляет собой фототиристор.

Источники информации

1. Патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.

2. Патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г. (прототип).

Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону р+-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р+-n-р-n+-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р+-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, отличающийся тем, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое hm [мкм] и дозу протонов Фnb [см-2] определяют из выражений:





kвсд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;
ρnc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;
δρn - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρnnmaxnc-1=1-ρnminnc; ρnmax и ρnmin - соответственно численные значения максимального и минимального значений удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;
ρne и δρne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;
kн - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода после облучения Vbr [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения Vbro [В].



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к силовым тиристорам, управляемым током. .

Изобретение относится к конструированию высоковольтных высокотемпературных сильноточных тиристоров. .

Изобретение относится к области электроники. .

Изобретение относится к силовому полупроводниковому приборостроению и может использоваться при создании мощных полностью управляемых гибридных ключей. .

Изобретение относится к конструкции силового полупроводникового прибора. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике, мощном радиостроении и электроприводе.

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов. .

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых тиристоров. .

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых диодов, динисторов и тиристоров, в том числе симметричных. .

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым биполярным приборам, предназначенным для выпрямления, усиления, переключения или генерирования электрических сигналов и имеющим структуру типа тиристора.

Изобретение относится к тиристору, содержащему полупроводниковое тело, в котором расположены последовательно p-легированный эмиттер, n-легированная база, p-легированная база и n-легированный эмиттер. В тиристоре предусмотрена зажигающая ступенчатая структура, содержащая по меньшей мере одну зажигающую ступень, каждая из которых содержит расположенный на расстоянии от n-легированного эмиттера n-легированный зажигающий ступенчатый эмиттер, который заделан в p-легированную базу. Зажигающий ступенчатый электрод контактирует на передней стороне с одним из зажигающих ступенчатых эмиттеров и имеет с ним первую контактную поверхность. На второй контактной поверхности зажигающий ступенчатый электрод контактирует с p-легированной базой на обращенной к n-легированному эмиттеру стороне одного из зажигающих эмиттеров на передней стороне. Вторая контактная поверхность расположена на расстоянии как от первой контактной поверхности, так и от одного из зажигающих ступенчатых эмиттеров. Концентрация легирующей примеси вдоль оси, перпендикулярной к вертикальному направлению, имеет как минимум два расположенных на расстоянии друг от друга локальных максимума с типом проводимости «p», а между по меньшей мере двумя максимумами расположена секция базы n-типа проводимости. Изобретение обеспечивает тиристор стадии зажигания, который лучше защищен в случае возникновения импульсов напряжения во время восстановления обратного сопротивления. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Тиристор // 2591744
Предложенное изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, в частности к таблеточным тиристорам с прижимным управляющим выводом. Тиристор содержит выпрямительный элемент с центральным управляющим электродом, помещенный в герметичный корпус, имеющий первое основание в качестве анода, второе основание в качестве катода, кольцеобразный изолятор, металлический диск с центральным сквозным отверстием, втулку, подвижный плунжер из изоляционного материала, пружину сжатия и управляющий вывод из гибкого провода с контактным элементом на одном конце. Металлический диск расположен между вторым основанием и выпрямительным элементом, втулка вставлена в центральное отверстие металлического диска, подвижный плунжер размещен внутри втулки. Один конец управляющего вывода расположен в центральном отверстии подвижного плунжера и зафиксирован контактным элементом в нижнем торце плунжера. Средняя часть управляющего вывода электрически изолирована и размещена в радиальной проточке, в верхней части металлического диска, другой конец управляющего вывода размещен в стенке кольцеобразного изолятора и выведен наружу. Контактный элемент управляющего вывода выполнен в виде двух соосных частей, верхняя из которых закреплена на конце управляющего вывода, а нижняя часть контактного элемента выполнена в виде чашки, диаметр которой больше ее высоты и равен внутреннему диаметру втулки. Чашка размещена на центральном управляющем электроде выпрямительного элемента и обращена к нему тонким кольцеобразным бортиком, а тыльной стороной обращена к верхней части контактного элемента. Второе основание в нижней части выполнено с центральным углублением, в котором размещены часть втулки, выступающей над металлическим диском, и часть подвижного плунжера, выступающего над втулкой. В углублении верхней центральной части подвижного плунжера размещена пружина сжатия. Техническим результатом, достигаемым от использования предложенного технического решения, является стабильность параметров и характеристик, устойчивое функционирование, а также повышение надежности тиристора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх