Силовой двухоперационный тиристор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<11661658 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 100976 (21) 2402565/18-25 (51)М. Кл.

Н 01 ) 29/74 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 050579,Бюллетень М 17. (53) УДК621. 382 (088.8) Дата опубликования описания 05.05.79 (72) Авторы изобретения

И.И.Абрамович, В.Е.Либер и А.А.Сакович (71) Заявитель (54 ) СИЛОВОЙ ДВУХОПЕРАЦИОННЫЙ THPHCTOP

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а более конкретно к двухоперационным приборам, позволяющим включать цепь тока и прерывать протекание тока.

Известны двухоперационные тиристоры, выполненные на основе многослойной полупроводниковой структуры 313.

Такие двухоперационные тиристоры позволяют отключать ток до 20 A npu напряжении,до 400 В и чувствительны к перегрузкам по току, что уменьшает надежность их работы

Наиболее близким техническим решением является.двухоперационный тиристор, выполненный на основе полупроводниковой монокристаллической структуры, содержит два базовых слоя и два эмиттерных слоя различного типа проводимости, один из эмиттерных слоев разделен областями изоляции, а также два силовых и управляющий электроды (21 . Этот прибор расчитан на прерывание тока, до 100 A при напряжении 1000 В. Требующийся для отключения ток управления составляет 20 А.

Для данного прибора ток 100 A является предельным и превышение его лишает прибор воэможности запирать ток. Прибор также не способен прерывать ток,в случае локального перегрева структуры вследствие неравномерного распределения тока по отдельным частям разделенного катодного змиттера. Повышенная плотность тока может возникнуть в отдельных частях разделенного эмиттера, когда отдельные его части остаются в запертом состоянии, например при недостаточной величине импульса управления или при медленном нарастании тока силовой цепи. Кроме того, для данного прибора требуется относительно большая величина тока управления, поскольку коэффициент усиления по току управления не превышает пяти при отключении тока силовой цепи.

Целью настоящего изобретения является увеличение отключаемого тока, уменьшение требуемой мощности управления и повышение надежности..

Указанная цель достигается тем, что второй эмиттерный слой разделен на части областями,изоляции, а в базовых слоях образованы дополнительные области первого и второго вида, имеющие геометрическую длину вдоль р-и перехода не меньшую, чем

661658 утроенная диффузионная длина неосновНых носителей в материале данной области;концентрация легирующей примеси

В .областях первого вида не превышает концентрацию тех же примесей соответствующего базового слоя, .концентрация металлической примеси в облас.тях второго вида не менее 10 ат/см, к каждой области изоляции в эмиттер ных слоях примыкают область первого вида, второго вида и расположенная между ними область соответствующего базового слоя; к каждой части эмиттерных слоев примыкает соответствующая область базы, области первого и, - второго вида одного базового слоя . примыкают к противоположным областяМ, второго базового слоя примыкающие к областям изоляции и примыкающие к частям эмиттерных ° слоев основные области различных базовых слоев при. мыкают друг к другу; электрод управления подключен, по крайней "мере, к одной основной области базового слоя, примыкающей к области изоляции в эмиттерном слое..

Основные преимущества предлагаемого прибора определяются следующими особенностями конструкции. Увеличение рабочего и отключаемого тока достигается за счет разделения базовых и эмиттерных слоев на отдельные части с обеспечением равномерного распределения тока по ним. Дпя повышения мощности прибора достаточно увеличить площадь структуры и количество укаэанных частей. Уменьшение требуемой мощности управления достигается за счет каскадного соединения,- .частей, при котором ток данной отпертой части обеспечивает поддержание отпертого состояния следующей части. Поэтому для отпирания и запирания прибора достаточен сигнал, обеспечивающий отпира-. ние или запирание только одной части структуры.

Повышение надежности обеспечивается наличием только односторонней связи между частями структуры (двусторонняя регенеративная связь .отсутствует). При этом нахождение в отпертом состоянии одной части структуры (или в запертом состоянии), обеспечивает отпертое (или запертое) состояние всего при6ора.

Яа чертеже показано сечение части структуры двухоперационного тиристора

Силовой двухоперационный тиристор выполнен на основе четырехслойной полупроводниковой структуры 1, содержащей базовый слой 2 р- типа-: . проводнмости и базовый слой 3 п- ти" па проводимости, эмиттерный слой катодный 4 п- типа проводимости и эмиттерный слой анодный 5 р- типа проводимости, п-р переход 6, р-п пе реход 7, п-р переход 8. Слои структуры разделены на части — 9 — ll (слой 4), области 12-17 (слой 2), области 18-23 (слой 3}, части 2426 (слой 5) ., Между областями каждого базового слоя расположены поочередно области первого вида 27-31, ограничивающие, протекание носителей заряда до уровня, не вызывающего регенеративного усиления тока инжекции прилегающего эмиттерного слоя, и области второго вида 32-36, обес 0 печивающие электрические соединения и допускающие протекание носителей заряда только одного знака.

Области базового слоя 2 через одну 13, 15 и 17 соединены через !

5 части 9, 10, 11 эмиттерного слоя 4 и инжектирующие контакты 37-39 с силовым электродом (катодом) 40, а области базового слоя 3 также через одну 18, 20, 22 соединены через час,у ти 24, 25, 26 эмиттерного слоя 5 и инжектирующие контакты 41-43 с силовым электродом (анодом) 44.

Остальные области базовых слоев и области первого и второго вида изолированй от силовых электродов

40 и 44 областями изоляции 45-50 в эмиттерных слоях. Соединенные с силовым электродом 40 области 13, 15 и 17 базового слоя 2 прилегают к изолированным от силового электрода

44 областям 19, 21, 23 базового слоя

3 и наоборот соединенные с силовым электродом 44 области 18, 20 и 22. слоя 3 прилегают к изолированным от силового электрода 40 областям

12,14 и 16 базового слоя 2. Области первого вцда 27-31 примыкают к областям второго вида 32-36.

Электрод управления 51 подключен к изолированной от силового электрода

40 40:области 12 базового слоя. Непоказанная на чертеже остальная часть структуры 1 выполнена аналогичным образом.

Работа прибора происходит следую45 щим образом.

При наличии положительного напряжения на аноде 44 и отрицательного . на катоде 40 на переходе 7 образуется запорный слой. После

50 подачи на электрод управления 51 положительного по отношению к катоду напряжения от электрода 51 про ходит ток через область второго вида 32 к части 9 катодного эмиттера 4

Ийжектированные последним электроны поступают также и к участку р-п перехода 7 ме)кду областями 13 и 19 базовых слоев, увлекаются полем слоя объемного заряда в базовую область

"п- типа и через область второго вида

® 35 достигают части 25 анодного эмит-терного слоя. Дырки, инжектируемые частью 25, вследствие протекания указанного электронного тока проходят через участок и-р перехода 7 между

65 областями 20 и 14 и вызывают проте661658 канне тока в области второго вида 33, который обуславливает инжекцию электронов из следующей части катодного эмиттера 10. В свою очередь этот электронный ток проходит через участок перехода 7 между областями

15 и 21 к области второго вида 36, 5 достигая следующей части 26 анодного эмиттера, ток инжекции которого пе» редается на последующие части структуры. При величине тока носителей заряда, проходящего через участок )0 п-р перехода 7, характеризуемой коэффициентом Ы > 0,5 по отношению к току соответствующей части эмиттерного слоя, процесс распространяется на все части структуры и тиристор переходит в отпертое состояние.

Если части структуры соединены в замкнутую кольцевую цепь, то ток последней части структуры поддерживает отпертое состояние первой части (к которой подведен электрод управления) и управляющий сигнал может быть снят при сохранении отпертого состояния прибора. Если на управляющий электрод при отпертом состоянии прибора подать отрицательный импульс напряжения, то носители заряда, инжектируемые змиттером первой части структуры за счет тока последней части, будут экстрагироваться током электрода управления и перестанут поступать на электрическое соединение с последующей частью, что в свою очередь вызовет прекращение инжекций эмиттера следующей части и запирание ее, а эа ней и всех ос- 35 тальных частей.

Если участки структуры соединены в разомкнутую последовательную цепь, т.е. части структуры,к которым прикладывается сигнал управления не 40 имеют электрической связи с предшествующими частями структуры, то тогда требуется приложение сигнала управления в течение всего времени, когда требуется сохранение отпертого состояния прибора. Запирание прибора достигается прекращением тока управляющего сигнала.

Для достижения большего быстродействия прибора и повышения его стойкости в отношении скорости нарастания тока силовой цепи при отпирании прибора, электроды управления могут располагаться не на одной, а на нескольких областях одного или обоих базовых слоев. . %

Указанные области первого вида могут быть образованы путем введения в полупроводниковый материал данного базового слоя примесей, создающих противоположный тип про одимости и 60 образоваиия и-р-п или р-и-р переходов путем протравливания толщи материала данного слоя и введения диэлектрических перегородок или из полупроводникового материала данного слоя при геометрической длине области не менее, чем устроенная диффузионная длина неосновных носителей заряда в материале данного слоя. Уменьшение диффузионной длины может быть выполнено с помощью любого известного в полупроводниковой технологии метода, например радиационным облучением, допированием, термообработкои.

Области второго вида могут быть образованы как диффузией металлических примесей, так и металлическими слоями гребенчатой формы, простирающимися по поверхности базовых слоев или поперечными металлическими соединениями в толще базы.

Формула изобретения .Силовой двухоперационный тиристорно выполненный на основе полупроводниковой монокристаллической структуры, содержащей два базовых слоя, и два эмиттерных слоя различного типа проводимости, один из эмиттерных слоев разделен областями изоляции, с двумя силовыми и управляющим электродами, отличающийся тем, что, с целью увеличения отключаемого тока, уменьшения требуемой мощности управления и повышения надежности, второй эмиттерный слой разделен на части областями изоляции, а в базовых слоях образованы дополнительные области первого и второго вида, имеющие геометрическую длину вдоль р-п перехода не меньшую, чем утроенная диффузионная длина неосновных носителей в материале данной области, концентрация легирующей примеси в областях первого вида не превьыает концентрацию тех же примесей соответствующего баэового слоя, концентрация металлической примеси В областях второго вида не менее 10 ат/см; э к каждой области изоляции в эмиттерных слоях примыкают область первого вида, второго вида и расположенная между ними область соответствующего базового слоями к каждой части эмиттерных слоев привыкает соответствующая область базы, области первого и второго вида одного базового слоя примыкают к противоположным областям второго базового слоя; примыкающие к областям изоляции и примыкающие к частям эмиттерных слоев основные области различных базовых слоев примыкают друг к другу, электрод управления подключен, по крайней мере, к одной основной области. базового слоя, примлсающей к области изоляции в эмиттерпом слое.

Источники информации,.принятые

so внимание при экспертизе

1. Патент Ctaa e 3 699 406, кл. 317-235, 1972.

2. Патент СШь Р 3 609 476, кл. 317-235 R 1969

Д 46 8 37 и} Д3 10 2/ 47 17,У

P !

- 7

41 !9 - Л гз

З1

29 4 1

2g 42 21

Составитель 0.Федюкина

Редактор а;абрамов Техред С.Мигай Корректор М.Пожо

Заказ 2494/57 Тираж 922 Подписное

ЦИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, )К-35 Раушская наб. д.4 5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4