/
Author: Тейлор П.
Tags: электротехника электрические машины и аппараты электронно-и аппаратостроение электроника электрооборудование
ISBN: 5-283-02495-4
Year: 1990
Text
П. ТЕЙЛОР
РАСЧЕТ
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ТИРИСТОРОВ
Перевод с английского
под редакцией доктора техн, наук
Ю. А. ЕВСЕЕВА
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1990
ББК 31.264.5
ТЗО
УДК 621.382.2/.3
Рецензенты: чл.-корр. АН СССР В. Рыжий,
доктор физ.-мат. наук, проф. В. И Стафеев
Переводчики: Ю. А. Евсеев, И. С. Граф, А. И. Петрин
Р. TAYLOR
THYRISTOR DESIGN AND REALIZATION
John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 1987
Тейлор П.
ТЗО Расчет и проектирование тиристоров: Пер. с
англ.— М.: Энергоатомиздат, 1990.— 208 с.: ил.
ISBN 5-283-02495-4
Обобщены результаты научных и технологических исследо-
ваний в области дискретных силовых полупроводниковых при-
боров. Вопросы проектирования увязаны с существующими и
перспективными процессами изготовления мощных тиристоров.
Рассмотрена работа новых типов приборов: запираемых тиристо-
ров, гибридов полевого транзистора с тиристором, МОП-транзи-
сторов с встроенной областью пространственного заряда.
круга специалистов по электронной технике.
ББК 31.264.5
Для широкого
2302030300-270
051(01)-90 ,88‘90
ISBN 5-283-02495-4 (рус.) © John Wiley & Sons Ltd., 1987
ISBN 0-471-91178-Х (англ.) © Перевод на русский язык
Энергоатомиздат, 1990
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разработанный еще в конце 50-х годов мощный тиристор бла-
годаря своим свойствам длительное время соответствует требова-
ниям технического прогресса. Возможности тиристора как пе-
реключающего прибора в то время соответствовали номинальной
мощности порядка нескольких сотен ватт, а современные тири-
сторы имеют мощность переключения порядка мегаватта. Затем
по мере совершенствования технологии производства монокри-
сталлического кремния появились специальные, так называемые
запираемые тиристоры, фототиристоры и сравнительно недавно
разработанные управляемые полем тиристоры или тиристоры со
статической индукцией.
В книге наряду с вопросами проектирования базового вариан-
та тиристора рассматриваются также особенности проектирова-
ния специальных видов тиристоров, начиная от выбора исходного
кремния и кончая герметизацией прибора.
В гл. 1 изложены общие представления о тиристоре, позво-
ляющие читателю войти в курс дела. В гл. 2 на основе физиче-
ских представлений обсуждаются различные режимы работы
приборов. Следует отметить, что для понимания принципа дейст-
вия тиристора требуется определенный уровень знаний основ фи-
зики полупроводников.
Глава 3 включает в себя детальный расчет базовой конструк-
ции тиристора, причем излагаются такие этапы проектирования,
как выбор кремния, выбор времени жизни неосновных носителей
заряда, расчет вертикальной структуры, катодных эмиттерных
шунтов и проектирование управляющего электрода тиристора.
В гл. 4 приводятся специальные требования к новейшим ти-
пам тиристоров, включая тиристоры с комбинированным выклю-
чением, асимметричные, запираемые, с обратной проводимостью
и фототиристоры. Главу завершают разделы, посвященные тири-
сторам управляемым полем, триакам и новым интегральным
приборам на основе базовой конструкции тиристора >и МОП-
транзистора.
В процедуре проектирования мощных тиристоров невозможно
отделить расчет монокристаллической структуры от проектиро-
вания технологии изготовления. В гл. 5 рассматриваются техно-
логические процессы, используемые при изготовлении тиристо-
ров, такие как диффузия, регулирование времени жизни, метал-
лизация и пассивация переходов. Глава 6 посвящена вопросам
теплового и механического проектирования тиристоров.
Материал, представленный в книге, получен на основании не
только моего практического опыта проектирования мощных ти-
ристоров, но также и опыта моих коллег. В этом отношении я
обязан многим специалистам по фирме Marconi Electronic De-
vices, которые помогали мне в работе над книгой. Особенно я
благодарен Ральфу Кнотту за его дружеские критические заме-
чания к рукописи.
И, наконец, я признателен руководству компании Marconi
Electronic Devices Ltd и отделению компании General Electric в
Великобритании за разрешение опубликовать эту книгу.
77. Тейлор
4
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИИ
а — линейный градиент концентрации примеси
А — площадь
As — площадь зашунтированного элемента структуры
b - — отношение подвижностей р,„/р7,
Ьо —отношение сечений захвата ор/оп
С — емкость
Cd — емкость слоя пространственного заряда
Cs — емкость демпфирующей цепи
Cth — теплоемкость
d — полуширина базы Ц7д/2 р—i—«-диода
d — плотность вещества
ds — диаметр шунта эмиттера
Р — коэффициент диффузии примеси
Da — коэффициент амбиполярной диффузии
Dn — коэффициент диффузии электронов
Dp — коэффициент диффузии дырок
Ds — расстояние между центрами эмиттерных шунтов
Е — напряженность электрического поля
— уровень дна зоны проводимости
Ер — уровень Ферми
Et — собственный энергетический уровень
Еип — напряженность электрического поля в «-переходе
ЕрП — напряженность электрического поля в р—«-переходе
Е/ — примесный уровень
Ev — уровень потолка валентной зоны
Fa — площадь шунта
g — коэффициент запирания запираемого тиристора
gi> — дифференциальный коэффициент запирания СИТ
G — скорость рекомбинации
G;1 — скорость Оже-рекомбинации
Glt — коэффициент запирания СИТ
h — постоянная Планка
hc — полуширина канала между ячейками затвора СИТ
ho — отношение избыточной и равновесной концентраций элек-
тронов
/д — анодный ток
41,/в2—базовые токи транзистора
4|,4з— коллекторные токи транзистора
5
1CL — ток замыкания тиристора
1СО — ток насыщения коллектора
lais — ток смещения
/Е1,/н—токи эмиттеров
IF — прямой ток прибора
/й, — ток управляющего электрода
1К — ток катода
IL — ток утечки
1ю — ток утечки р—«-перехода
У, — ток эмиттерного шунта
Л — переход эмиттер — «-база
12 — переход «-база — р-база
13 — переход р-база — «-эмиттер
J(z) —плотность тока по вертикали
Jdis — плотность тока смещения
Jq — ток, обусловленный накопленным зарядом
k — постоянная Больцмана
К — коэффициент деградации
Kth — удельная теплопроводность
L — длина катодного эмиттера
La — длин^ амбиполярной диффузии
Lc — длина канала СИТ
Ln — диффузионная длина электронов
LN2 — диффузионная длина неосновных носителей заряда в
слое N2
Lp — диффузионная длина дырок
Lpi — диффузионная длина неосновных носителей заряда в
слое Р1
Ls -— паразитная индуктивность
т — масса
т* —эффективная масса электрона,
М — коэффициент лавинного умножения
« — концентрация электронов
«в — фактор пробоя
«,• — концентрация собственных носителей
«о — равновесная концентрация носителей заряда
N1 — «-база
N2 — слой катодного эмиттера
/Ув — концентрация примеси в «-базе
Nd — концентрация доноров
NN{ — равновесная концентрация основных носителей заряда
в слое N1
NN2 — равновесная концентрация основных носителей заряда в
слое N2
No — поверхностная концентрация примеси
NPI — равновесная концентрация основных носителей заряда в
слое Р1
в
Д/Р2 — равновесная концентрация основных носителей в слое
Р2
/V, — плотность генерационно-рекомбинационных центров
Р — мощность
р — концентрация дырок
q — заряд электрона
Q — заряд
Q, — накопленный заряд в р—п—р-транзисторе
Q2 — накопленный заряд в п—р—«-транзисторе
Qf — накопленный заряд в открытом состоянии
— радиусы эмиттеров
ги1,гС2— радиусы управляющих электродов
г, — радиус кривизны перехода
гт — радиус металлизации
гР2 — радиус базового слоя Р2
г,.. 62—радиусы шунтов катодного эмиттера
RB — сопротивление базы
Rc — контактное сопротивление
Rceit — сопротивление зашунтированной области
Rm — радиус боковой кривизны перехода
Rs — сопротивление шунта
Rih — тепловое сопротивление
S — ширина «-эмиттера
Sp — удельная теплоемкость
tr — время нарастания
ts — время задержки
— время пролета базы р—п—р-транзистора
Z/2 — время пролета базы «—р—«-транзистора
t/h — тепловая постоянная времени
Т — температура
Vs — тепловая скорость носителей заряда
Vsp — скорость распространения плазмы
Vhi — встроенный потенциал р—п—перехода
Vb — напряжение пробоя р—«-перехода
VRl.: — напряжение база—эмиттер
VB0 — прямое напряжение пробоя
К/р — максимально допустимое анодное напряжение в период
быстрого спада анодного тока запираемого тиристора
VE — отпирающее напряжение управления
Vo к — напряжение пробоя перехода управляющий электрод—
катод запираемого тиристора
Vi — напряжение /-области р—i—«-диода в проводящем со-
стоянии
Vjo — напряжение на переходе JO
Vn — напряжение на переходе Л
— напряжение на переходе J2
V/3 — напряжение на переходе J3
7
ул,, — напряжение на слое N1
VN2 — напряжение на слое N2
Vpi — напряжение на слое Р1
Vp2 — напряжение на слое Р2
VPn — напряжение пробоя р—«-перехода
VpmP — напряжение пробоя р—п—«+-перехода
VPP — напряжение пробоя планарного перехода
Vpt — напряжение смыкания
Ур — обратное напряжение пробоя тиристора
VT — напряжение в открытом состоянии тиристора
W — ширина слоя пространственного заряда
Wp — ширина базы
Wm — ширина слоя пространственного заряда при пробое
WH — ширина «-области в р+—«-диоде
WNi — ширина слоя N1
U/V2 — ширина слоя N2
Wopt — минимальная освещенность при включении
Wp — ширина р-области
WPI — ширина области PJ
WP2 — ширина области Р2
Хр — положение края эмиттера
хс — положение края управляющего электрода
хп — ширина области пространственного заряда в «-слое
хр — ширина области пространственного заряда в р-слое
xs — положение шунтов катодного эмиттера в области затвора
aeff — эффективный коэффициент передачи тока
апрп — коэффициент передачи «—р—«-транзистора
арпр — коэффициент передачи р—п—р-транзистора
йпрп коэффициент передачи «—р—«-транзистора в режиме
малого сигнала
арпр — коэффициент передачи р—«—р-транзистора в режиме
малого сигнала
ат — коэффициент переноса тока
у — коэффициент инжекции
T.V2 — коэффициент инжекции «-эмиттера
Ур2 — коэффициент инжекции р-эмиттера
e.s — диэлектрическая проницаемость кремния
т] — отношение ширины базы диода к ширине слоя простран-
ственного заряда
т](. — квантовый выход
О — угол фаски
ц — подвижность
щ — подвижность электронов
Ир — подвижность дырок
v — частота света
р — удельное сопротивление
р(х,р)— плотность заряда
8
Pg — поперечное сопротивление базы P2 в области управляю- щего электрода
ps On Op T Ta Teff Thl — поперечное сопротивление базы Р2 — сечение захвата электронов — сечение захвата дырок — время жизни носителей заряда — амбиполярное время жизни — эффективное время жизни — время жизни носителей заряда при высоком уровне ин- жекции
tLl — время жизни носителей заряда при низком уровне ин- жекции
Tn Tp Tsc — время жизни электронов — время жизни дырок — время жизни носителей в области пространственного за- ряда
O’ tpB — доза радиации — высота барьера металл- полупроводник
9
Глава 1
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТИРИСТОРЕ
1.1. Введение
Тиристор, или кремниевый управляемый выпрямитель, являет-
ся полупроводниковым прибором, который используется для
преобразования электрического тока и напряжения. Тиристор
представляет собой четырехслойную структуру с тремя выводами
и пропускает ток между анодом и катодом, когда на его управ-
ляющий электрод подается сигнал управления. В отсутствие сиг-
нала управления прибор может блокировать высокое напряже-
ние при малом токе утечки. Первый тиристор, изготовленный в
конце 50-х годов, в выключенном состоянии блокировал напря-
жение порядка сотен вольт, а в открытом состоянии проводил
ток, равный нескольким амперам. В настоящее время разрабо-
таны тиристбры, блокирующие напряжение свыше 6000 В и про-
водящие ток более 3000 А (пределы тока и напряжения продол-
жают увеличиваться).
В этой главе описываются различные типы тиристоров и облас7
ти их применения, а также рассматриваются некоторые вопросы
конструирования тиристоров.
1.2. Характеристики тиристора
Четырехслойная тиристорная структура показана на рис. 1.1.
Она состоит из двух глубоких диффузионных слоев p-типа (слой
Р1 является анодным эмиттером, слой Р2 — p-базой), между
которыми находится широкая слабо проводящая n-база АП.
Диффузионный п+-слой образует катодный эмиттер N2. Слои
Р1 и N2 снабжены омическими контактами, образующими анод-
ный и катодный выводы, а третий контакт, соединенный с
p-базой, является управляющим электродом. Когда к аноду при-
ложен отрицательный по отношению к катоду потенциал, тири-
УпраВляющий
элеятроВ
Л J2 J3
Рис. 1.1. Структура базового тиристора
УЗ
10
стор обладает высоким сопротивлением. Если к аноду приложен
положительный потенциал, то прибор также имеет высокое со-
противление до тех пор, пока на его управляющий электрод не
подается сигнал управления. После этого происходит включение
тиристора. Переход из закрытого состояния в открытое происхо-
дит очень быстро, и тиристор остается в открытом состоянии,
даже если закончится сигнал управления. Переключение из
открытого состояния в закрытое обычно производится не по
управляющему электроду, а с помощью внешней цепи. Прибор
выключается, когда ток уменьшается ниже критического уровня,
называемого током удержания.
1.2.1. Характеристики по напряжению
В обратном закрытом состоянии к аноду прикладывается
отрицательный потенциал по отношению к катоду и оба перехода
Л и /<? становятся обратносмещенными (рис. 1.1).
Поскольку слой N-1 является слабо легированным, иначе гово-
ря, обладает значительно большим сопротивлением, чем слой N2,
практически все напряжение прикладывается к переходу и в
этом случае вольт-амперная характеристика тиристора аналогич-
на характеристике диода (рис. 1.2, кривая СВА). Между анодом
и катодом может быть приложено высокое напряжение при проте-
кании очень малого тока утечки. Однако если это напряжение
превысит напряжение пробоя vR перехода J2, то ток вследствие
эффекта лавинного умножения быстро увеличится. В прямом
закрытом состоянии переход J2 становится обратносмещенным и
блокирует приложенное напряжение. Дальнейшее превышение
критического уровня может привести к быстрому увеличению тока,
но если ток превысит некоторый пороговый уровень, так называе-
в открытом состоянии
тиристора (рис. 1.2, кривая EFG). В большинстве тиристоров
стараются избежать такого включения, так как оно снижает
надежность прибора.
Ток утечки, который течет через два прямосмещенных и один
обратносмещенный переход, сильно зависит от температуры, и в
тйристорах на' основе кремния при температуре выше 125° С
может происходить быстрое нарастание тока утечки, что приво-
дит к разрушению прибора. Ограничение температуры является
очень важным критерием, поскольку от этого зависит предельная
мощность тиристора.
1.2.2. Характеристики по току
Вольт-амперная характеристика тиристора в открытом со-
стоянии приведена на рис. 1.3. Прямое напряжение тиристора
в открытом состоянии определяется при заданном токе. Это
напряжение является весьма важной характеристикой, так как
оно определяет рассеиваемую мощность тиристора, а следова-
тельно, и его температуру. Поэтому при конструировании тири-
стора желательно достичь наименьшего прямого напряжения в
открытом состоянии, для того чтобы иметь максимальный рабо-
чий ток.
Другой важной характеристикой тиристора является его
ударный ток. Это максимальный ток, который способен выдер-
живать тиристор. Его значение в 10 или 20 раз превышает
действующий ток тиристора и вызывает увеличение температуры
прибора в локальных областях в 3 или 4 раза по сравнению с
температурой в номинальном режиме.
1.2.3. Включение и выключение
Когда на управляющий электрод прямосмещенного тиристо-
ра, находящегося в закрытом состоянии, подается импульс тока,
тиристор переходит во включенное состояние (рис. 1.4). Время
включения состоит из трех составляющих: во-первых, время
задержки, при котором уровень приложенного напряжения за-
метно не изменяется, считая от начала импульса управления; во-
вторых, время нарастания, начиная от того момента, когда
анодное напряжение соответствует 90%, и до момента, когда оно
уменьшается до 10% начального значения; в-третьих, время
распространения, в течение которого напряжение во включенном
состоянии достигает своего стационарного значения и проводя-
щая плазма распространяется по всей площади прибора. Время
включения обычно определяется суммой времени задержки и
времени нарастания, а его значение зависит как от максимально-
го значения анодного напряжения, так и от скорости нарастания
тока управления и достигает нескольких микросекунд. В течение
12
Рис. 1.4. Характеристики включения тиристора
времени включения мощность, рассеиваемая тиристором, может
быть очень высокой. При работе прибора на высокой частоте ток
управления обычно увеличивают в пределах допустимой номи-
нальной мощности для того, чтобы уменьшить время включения.
Допустимая скорость нарастания анодного тока di/dt являет-
ся также критическим параметром, максимально допустимое зна-
чение которого возрастает при увеличении тока управления. Если
анодный ток возрастает слишком быстро, выделяется большая
рассеиваемая мощность и прибор может разрушиться из-за
локального перегрева. Локальный перегрев обусловлен высокой
плотностью тока, вызванной большой скоростью нарастания
анодного тока di/dt и конечной скоростью распространения
проводящей плазмы (этот эффект рассматривается в § 2.3.).
Выключение тиристора происходит в тот момент, когда анод-
ный ток снижается ниже критического уровня, называемого
током удержания. В большинстве практических применений
анодный ток уменьшается с некоторой скоростью di/dt практи-
чески до нуля и становится отрицательным при приложении
обратного напряжения (рис. 1.5). Обратный ток будет проте-
кать до тех пор, пока весь накопленный заряд тиристора не
исчезнет.
Если прямое напряжение повторно прикладывается сразу
после прохождения тока через нуль, тиристор снова будет вклю-
чаться за счет протекания тока, обусловленного сохранением
накопленного заряда. Если при обратном смещении достаточно
времени для полного исчезновения накопленного заряда, то
приложение повторного напряжения не будет приводить к вклю-
чению тиристора. Время выключения прибора лежит в пределах
от нескольких микросекунд для низковольтных приборов до
нескольких сотен микросекунд для высоковольтных приборов,
13
Рис. 1.5. Характеристики выключения тиристора
рассчитанных на большой ток. При работе на высокой частоте
время выключения становится ограничивающим фактором и
тиристоры конструируются специально с минимальным временем
выключения.
1.2.4. Тепловые характеристики
Как упоминалось ранее, температура тиристора должна под-
держиваться ниже критического уровня для того, чтобы предот-
вратить возникновение больших прямых или обратных токов утеч-
ки, которые могут привести к его разрушению. Во время вклю-
чения и выключения, а также в открытом состоянии в приборе
выделяется значительная мощность и тиристор нагревается. Для
отвода тепла существует специальный теплоотвод. При конструи-
ровании тиристора необходимо обеспечить его низкое тепловое
сопротивление.
1.3. Конструкция тиристора
Активный элемент мощного тиристора чаще всего называют
выпрямительным элементом. Он состоит из кремниевой пластины,
содержащей диффузионную р—п—р—«-структуру, катодного
и анодного контактов, и контакта к управляющему электроду.
Схематическое изображение выпрямительного элемента показа-
но на рис. 1.6. Выпрямительный элемент площадью больше
250 мм2 имеет концентрическую конструкцию. В качестве анодно-
го контакта используется молибденовый (или иногда вольфрамо-
вый) диск, который сплавляется силумином с кремнием. Такая
14
Рис. 1.6. Схематическое изображение
базового тиристора:
УЭ — управляющий электрод; К — катод;
А — анод; 1 —пассивация перехода; 2—
металлический электрод; 3 — кремний;
4 — молибден
Рис. 1.7. Штыревой базовый тиристор:
/ — изолятор; 2 — выпрямительный эле-
мент
контактная система обеспечивает механическую прочность с
минимальным напряжением, обусловленным различием линейных
тепловых коэффициентов расширения контакта и кремния. В не-
больших выпрямительных элементах анодный и катодный кон-
такты припаиваются к соответствующим электродам и лишь
иногда контакты к катоду и управляющему электроду привари-
ваются с помощью ультразвука. В этом случае элемент обычно
имеет квадратную форму.
Высоковольтные блокирующие переходы тиристора выходят
на поверхность выпрямительного элемента по его периферии.
Напряженность электрического поля на поверхности выпрями-
тельного элемента в месте выхода переходов значительно боль-
ше, чем в объеме. Для снижения напряженности электрического
поля на поверхности используются различные методы, например:
охранные кольца, вытравливание канавок или создание фаски
механическим способом. Поверхность перехода покрывается
диэлектриком (стеклом или полимером). Эти вопросы подробно
обсуждаются в § 5.8.
Выпрямительный элемент тиристора помещается в корпус, ко-
торый обеспечивает как электрический, так и механический кон-
такт с прибором. Тип корпуса зависит от условий применения и
предельной мощности тиристора. Мощные тиристоры собираются
в корпусах с односторонним и двухсторонним охлаждением. Кор-
пус с односторонним охлаждением штыревого типа, к медному
15
Нагрузка
Рис. 1.8. Тиристор таблеточной конструкции:
/ — выпрямительный элемент; 2 — медиые диски; 3 — керамический изолятор
основанию которого припаивается выпрямительный элемент, по-
казан на рис. 1.7.
Медное основание имеет резьбу, поэтому прибор можно при-
винчивать к охладителю. Использование такого корпуса из-за
высокого теплового сопротивления между выпрямительным эле-
ментом и охладителем ограничивается тиристорами средней
мощности (менее 200 А, 1200 В). Корпусом с низким тепловым
сопротивлением, пригодным для приборов большой площади (их
диаметр более 15 мм), является прижимной корпус с двухсторон-
ним охлаждением. Он применяется для тиристоров большой мощ-
ности (более 200 А, 1200 В) и обеспечивает электрическую и
тепловую эффективность прибора. Его конструкция показана на
рис. 1.8.
Контакт с выпрямительным элементом обеспечивается путем
внешнего сжатия. Между охладителем и выпрямительным эле-
ментом под давлением порядка 15 МН/м2 находятся медные дис-
ки. Для электрической изоляции и герметичности используется
керамика с большим содержанием окиси алюминия. Эти решения
обеспечивают очень надежную конструкцию, так как различие
в тепловых • коэффициентах контактов и выпрямительного эле-
мента в значительной степени компенсируется за счет скольже-
ния между контактирующими плоскостями. Для низких и сред-
них мощностей (от 10 до 200 А) широко применяются пластмас-
совые корпуса. Эти корпуса не являются герметичными, и поэто-
му высоковольтные переходы тиристора должны быть защищены
16 . ...
с помощью диэлектрика, нечувствительного к влаге и другим
атмосферным воздействиям. Пластмассовые корпуса обладают
рядом преимуществ: они имеют низкую стоимость, малую массу,
легко монтируются в схему и могут быть использованы для сов-
местной сборки нескольких выпрямительных элементов. Кроме
того, многие пластмассовые корпуса имеют встроенный изоли-
рующий слой для того, чтобы электрически изолировать прибор
при сохранении термического контакта с его охладителем (см.
§6.2).
1.4. Типы тиристоров и их применение
1.4.1. Применение
На рис. 1.9 представлены основные области применения мощ-
ных приборов, классифицированные в зависимости от коммути-
руемой мощности и частоты. На низких частотах при определен-
ных мощностях спектра мощные коммутирующие приборы ис-
пользуются для создания оборудования для высоковольтных ли-
ний электропередач постоянного тока, а также компенсаторов
реактивной мощности. На высоких частотах при малых мощно-
стях они используются в устройствах управления светом, ультра-
звуковых генераторах, мощной высокочастотной преобразова-
тельной аппаратуре, коммутирующих источниках питания. Сле-
дующей широкой областью применения является электропривод
и мощные источники питания. Обычно использование электро-
привода охватывает диапазон от небольших электродвигателей
для бытовой техники до электродвигателей большой мощности
для прокатных станов. Как правило, применяются несколько ти-
пов коммутирующих полупроводниковых приборов. Мощные
МОП-транзисторы используются при частотах свыше 20 кГц,
биполярные транзисторы — до частоты 50 кГц и мощности
500 кВ-А, а тиристоры — для частот ниже 10 кГц и мощности
Рис. 1.9. Диаграмма основных об-
ластей применения мощных тирис-
торов:
I — статические компенсаторы реак-
тивной мощности; 2 — электропривод;
— мощные источники питания; 4 —
коммутирующие мощные источники
питания, высокочастотная преобразо-
вательная аппаратура; 5 — световые
ультразвуковые генераторы
17
до 15 МВ-А. Основной областью применения тиристоров являет-
ся электропривод, мощные источники питания, а также преобра-
зовательные устройства постоянного и переменного тока высоко-
го напряжения.
1.4.2. Типы тиристоров
Существует несколько различных типов тиристоров, причем
некоторые из них разработаны специально для конкретных при-
менений. Большинство из них базируется на четырехслойной
тиристорной структуре, но в то же время каждый тип имеет свои
специфические особенности, которые обсуждаются в гл. 4. Ниже
кратко рассматриваются различные типы тиристоров и области
их применения.
Базовые тиристоры, обладающие приблизительно равными
прямой и*обратной блокирующими способностями, подразде-
ляются на два больших класса. Первый класс тиристоров исполь-
зуется в преобразователях для работы при низкой частоте и
конструируется таким образом, чтобы обеспечить низкое падение
напряжения в открытом состоянии. Однако это приводит к мед-
ленному выключению прибора. Второй класс — это тиристоры
для инверторов или быстродействующие тиристоры. Они конструи-
руются для работы на высоких частотах и характеризуются быст-
рым временем выключения. В основном такие тиристоры имени
значительно большие падения напряжения в открытом состоянии,
чем класс преобразовательных приборов, описанный выше. В до-
полнение к базовому тиристору существует несколько специальных
приборов, характеристики которых приведены в табл. 1.1.
У фототиристора отсутствует электрический контакт с управ-
ляющим электродом и спроектирован он таким образом, чтобы
реагировать только на оптический сигнал. Обычно оптический
сигнал очень слабый и, следовательно, прибор должен иметь
высокий коэффициент усиления. Основной проблемой при конст-
руировании фототиристора является достижение высокого коэф-
фициента усиления при малой чувствительности к эффекту
dv/dt. В связи с появлением фототиристоров разработчикам обо-
рудования постоянного тока высокого напряжения удается обес-
печить высоковольтную изоляцию между тиристором и цепью
управления: это требование выполняется при использовании
волоконной оптики.
Тиристор, проводящий в обратном направлении, обычно
объединяет в одном кристалле быстродействующие тиристор и
диод. В преобразователях и импульсных схемах время выключе-
ния тиристора должно быть очень малым, чтобы обеспечить
функционирование прибора на высокой частоте. Диод соединяет-
ся с тиристором для того, чтобы проводить обратный ток. К со-
жалению, наличие индуктивности у провода между диодом и ти-
18
Таблица 1.1 Специальные типы тиристоров
Тип тиристора Особенности его конструкции Ос но в н ые_ о б л а ст и применения
фототиристор Светоч увствител ьны й управляющий электрод Постоянный ток ВЫСО- КОГО напряжения
Тиристор-диод Объединение с встречно- параллельным диодом Электрическая тяга и инверторы
Тиристор с комбиниро- ванным выключением Одновременно принуди- тельная коммутация и вы- ключение по управляющему электроду Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Запираемый тиристор Выключение по управляю- щему электроду (принуди- тельная коммутация не тре- буется) Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Тиристор, проводящий в обратном направлении р — i — //-конструкция без обратной блокирующей спо- собности Высокочастотные ин- верторы и мощные ис- точники питания
Диодный тиристор Управляющий электрод от- сутствует, переключение за счет превышения напряже- ния переключения Защита тиристоров от перенапряжения
Симистор Комбинация двух встреч- но-параллельных тиристоров Управление мощностью переменного тока, нагре- вом, освещенностью
ристором может вызвать увеличение схемного времени выключе-
ния тиристора. За счет объединения диода и тиристора влияние
этой индуктивности исключается и реализуется очень быстрое
выключение прибора.
Тиристор с комбинированным выключением имеет электрод,
который может быть смещен в обратном направлении в процессе
выключения для того, чтобы способствовать удалению накоплен-
ного заряда из прибора.
В запираемом тиристоре отсутствует один из главных недос-
татков базового тиристора. Речь идет о том, что прибор может
как включаться, так и выключаться по управляющему электроду.
Это достигается благодаря точной регулировке его коэффициен-
тов усиления и применению распределенного управляющего
электрода. Основными областями применения запираемого тири-
стора являются переключатели и преобразователи для электро-
привода и других промышленных устройств.
Тиристор, проводящий в обратном направлении, не обладает
обратной блокирующей способностью, так как его n-база содер-
жит дополнительный н + -слой, смежный с переходом Л. Это дает
возможность использовать более тонкую n-базу, чем у основного
19
тиристора,— примерно на половину тоньше при той же самой
блокирующей способности. Поскольку база более тонкая, естест-
венно, уменьшаются потери в открытом состоянии и при коммута-
ции и происходит более быстрое выключение прибора. Отсутствие
обратной блокирующей способности является несущественным
моментом для многих областей применения, например в преобра-
зователях, где используется встречно-параллельное соединение
диода с тиристором.
Диодный тиристор не имеет управляющего электрода и пере-
ключается в проводящее состояние, когда приложенное прямое
напряжение достигает определенного значения. Такие приборы
используются для защиты тиристоров и других компонентов це-
пей от перенапряжения.
Наконец, симистор представляет собой соединение двух
встречно-параллельных тиристоров с общим управляющим
электродов. Включение такого прибора может происходить пу-
тем подачи сигнала управления на управляющий электрод, когда
приложено либо положительное, либо отрицательное напряже-
ние. Прибор используется для управления мощностью перемен-
ного тока, например, при регулировании яркости света. Симисто-
ры охватывают средний уровень мощности, что обусловлено
взаимным *влиянием друг на друга составляющих тиристоров.
Следует отметить, что при больших уровнях мощности устройст-
ва из двух дискретных тиристоров оказываются более эффектив-
ными, чем симисторы.
Приведенное описание специальных тиристоров не является
исчерпывающим, хотя и включает в себя основные типы тиристо-
ров. Специальные типы тиристоров более подробно обсуждаются
в гл. 4.
1.5. Выбор тиристора
В этом параграфе изучаются основные критерии, принимае-
мые в расчет конструкторами оборудования для выбора типа
тиристора.
Многие основные характеристики тиристоров связаны друг с
другом, например, быстро выключаемый тиристор имеет значи-
тельно большее падение напряжения в открытом состоянии, чем
низкочастотный тиристор. Конструкторы приборов поэтому долж-
ны стремиться оптимизировать характеристики приборов таким
образом, чтобы тиристоры имели более широкий рынок сбыта.
1.5.1. Параметры по напряжению
Параметрами по напряжению являются неповторяющееся
импульсное и повторяющееся импульсное прямое и обратное
напряжения. Хотя тиристор и может использоваться в качестве
20
выпрямителя при этих напряжениях, на практике при разработке
схем вводят коэффициент безопасности.
Это связано с тем, что тиристоры подвержены разрушению
даже при кратковременном превышении неповторяющегося на-
пряжения.
Источником перенапряжений являются либо основной источ-
ник питания, либо источник питания мощного оборудования.
Перенапряжения могут возникать также в результате переход-
ных процессов переключения других тиристоров в силовой цепи.
Обычно используется ряд технических решений для подавле-
ния перенапряжений, однако их полное устранение не всегда
экономически оправдано и зачастую используется тот вариант,
который выбирается как некоторый «оптимум» между стоимо-
стью сложной защиты от перенапряжения и стоимостью тиристо-
ров. Обычно применяются тиристоры , с максимальным неповто-
ряющимся импульсным напряжением, которое в 2—2,5 раза пре-
вышает рабочее напряжение.
Следующей характеристикой тиристоров является скорость
нарастания напряжения dv/dt. Превышение критической скоро-
сти нарастания dv/dt приводит к разрушению прибора. Это явле-
ние можно предотвратить, если использовать защитную цепь
между анодом и катодом, состоящую из последовательно соеди-
ненных емкости и сопротивления. Однако при выборе требуемого
значения dv/dt снова следует учитывать стоимость как защитной
цепи, так и тиристора.
1.5.2. Параметры по току
При выборе тиристора по его характеристике определяются
размеры прибора исходя из' значения действующего тока или
тока перегрузки в открытом состоянии (иногда учитываются оба
эти параметра). Характеристики тиристора по току приводятся
в специальных справочниках. Для того чтобы оценить размер
тиристора, разработчики схем должны исходя из данной нагруз-
ки по току рассчитать мощность, рассеиваемую прибором, выб-
рать эффективную систему охлаждения и тепловое сопротивление
тиристора.
Приведение рассеиваемой мощности на тепловое сопротивле-
ние тиристора позволяет определить повышение температуры
прибора.
Например, если максимальная температура охладителя равна
80° С, максимально допустимая температура перехода 125° С и
предполагаемая рассеиваемая мощность 450 Вт, то тепловое
сопротивление от перехода к охладителю должно быть менее
0,1° С/Вт.
Рассеиваемая мощность определяется несколькими фактора-
ми: анодным током и напряжением в открытом состоянии, током
21
утечки при прямом и обратном блокирующем напряжении, током
и напряжением управления и энергией переключения. Рассеивае-
мая энергия в открытом состоянии обычно приводится в виде
графиков в каталогах на тиристоры и представляет собой интег-
рал произведения тока на прямое падение напряжения.
Для высокочастотных приборов фйрмы, производящие тирис-
торы, также приводят кривые, позволяющие разработчикам
преобразователей определять токовые характеристики, допусти-
мые в условиях высоких скоростей переключения.
Сюда входит прежде всего энергия переключения, которая
становится преобладающим фактором при увеличении частоты
переключения.
Одной из важных характеристик прибора является его тепло-
вое сопротивление, поскольку оно определяет допустимую рас-
сеиваемую»мощность. Это сопротивление зависит от размеров ти-
ристора и его конструкции: тиристоры больших размеров обла-
дают малым тепловым сопротивлением. В любом тиристоре
можно рассеивать большую мощность, если имеется эффективная
система охлаждения. Однако при этом необходимо искать «опти-
мум» между стоимостью тиристора и стоимостью системы охлаж-
дения. Чавто для того, чтобы уменьшить систему охлаждения,
используются большие по размеру тиристоры.
1.5.2.1. Ударный ток. Во многих случаях применения тиристор
должен выдерживать перегрузку по току, что обусловлено, на-
пример, коротким замыкание:.! в цепи. Короткое замыкание мо-
жет длиться до тех пор, пока не расплавится предохранитель и
не разомкнется цепь, или, наконец, не прекратится подача им-
пульса тока (10 мс при частоте 50 Гц). По этой причине специ-.
фикация тиристора включает классификацию по ударному току
hs.M- Ударный ток является неповторяющейся характеристикой,
но тем не менее тиристор должен выдерживать такую перегрузку
несколько раз за время своей работы.
1.5.2.2. di/dt. Это максимально допустимая скорость нараста-
ния тока при включении прибора. Она ограничивается скоростью
распространения проводящей области в тиристоре. Тиристоры
для инверторов конструируются таким образом, чтобы иметь
высокую стоимость нарастания тока di/dt. Значение di/dt сильно
зависит от импульса управления: мощный импульс управления
позволяет получить высокую скорость di/dt. В основном быстро-
действующие тиристоры имеют высокие скорости di/dt, вполне
достаточные для большинства областей применения. Однако если
эта величина недостаточна, тогда в цепь нагрузки необходимо
вводить дополнительное реактивное сопротивление, ограничи-
вающее скорость нарастания тока нагрузки.
22
Глава 2
ПРИНЦИП действия тиристора
2.1. Введение
В работе тиристора можно выделить четыре стадии, а именно:
закрытое состояние, переходный процесс включения, открытое
состояние и переходный процесс выключения. Однако необходимо
подчеркнуть, что все эти процессы взаимосвязаны. Например,
как будет показано ниже, процесс включения очень сильно зави-
сит от приложенного прямого напряжения в закрытом состоянии
и уровня модуляции проводимости, который достигается при
включении.
Понимание сущности физических процессов, определяющих
различные режимы работы тиристора, является необходимым ус-
ловием при его проектировании, поэтому цель данной главы
заключается в том, чтобы дать читателю основные сведения по
этому вопросу.
При рассмотрении физических принципов действия прибора
нет необходимости приводить подробные математические выклад-
ки и выводить основные математические уравнения. Вместе с тем
предполагается наличие некоторых знаний у читателя, относя-
щихся к физике полупроводников, и ожидается, что читатель
найдет более подробные сведения по этим вопросам в других
опубликованных работах, на которые имеются ссылки в тексте.
Следует отметить, что в этой и последующих главах цитируемые
работы являются лишь небольшой частью из всех имеющихся
публикаций по рассматриваемым проблемам.
Для того, чтобы обеспечить логическую последовательность
изложения материала, рассмотрим работу тиристора в выклю-
ченном, затем в проводящем и снова в выключенном состояниях.
2.2. Тиристор в закрытом состоянии
2.2.1. Обратное закрытое состояние
Когда анод тиристора имеет отрицательный потенциал по
отношению к катоду, тиристор находится в обратном блокирую-
щем режиме (рис. 2.1). Причем оба перехода 11 и 13 являются
в этом случае обратносмещенными. Однако в обычных тиристо-
рах области р- и н-типа перехода 13 оказываются сильно леги-
рованными и поэтому переход 13 до наступления пробоя выдер-
живает только небольшое обратное напряжение (обычно менее
40 В). Поэтому при высоком анодном напряжении влиянием пе-
рехода 13 можно пренебречь. Отсюда следует, что при обратном
напряжении тиристор напоминает транзистор с разомкнутой ба-
зой P1N1P2 и может моделироваться как таковой при рассмот-
23
Рис. 2.1. Тиристор в обратном блокирующем режиме:
X/, и хи— протяженности областей пространственного заряда соответственно в областях
р- и п-типа
рении его блокирующей способности при обратном напряжении.
Если не учитывать влияния эмиттера Р2 на обратное блокирующее
напряжение,*что справедливо для низких приложенных напряже-
ний, когда ширина слоя пространственного заряда перехода Л
в n-базе мала по сравнению с общей шириной n-базы, то тиристор
ведет себя аналогично диоду при обратном смещении. В этом
случае ток утечки [Sze, 1981]
, —D'' ( п? i яп,(хп + хр)
+-----2^----
(2-1)
Здесь Dp — коэффициент диффузии дырок; тр — время жизни не-
основных носителей заряда при низком уровне инжекции в
n-базе; ND — концентрация доноров; и, — концентрация собст-
венных носителей заряда; (хп-}-хр) — ширина области простран-
ственного заряда; tsc — время жизни в области пространственно-
го заряда.
Время жизни неосновных носителей заряда тр и время жизни
носителей в области пространственного заряда tsc определяются
в § 3.2. Первый член в правой части уравнения — это диффузион-
ная компонента тока, а второй член представляет собой генера-
ционный ток, который в кремнии обычно является доминирующей
компонентой. Этот ток зависит от температуры и обычно назы-
вается тепловым генерационным током утечки. Если предполо-
жить, что тиристор продолжает вести себя как диод (т. е. прене-
бречь влиянием эмиттера Р2), и увеличивать прикладываемое
напряжение, то ток может быстро увеличиться вследствие лавин-
ного пробоя перехода Л.
Для резкого перехода напряжения лавинного пробоя при ком-
натной температуре [Sze, 1981]
Ев=5,34Х10'3(А^)~3/4,
(2-2)
а для линейного перехода
VB = 9,17X 109a~0’4. (2.3)
Здесь No — концентрация легирующей примеси, атом/см3;
24
а - линейный градиент концентрации примеси, атом/см4. Однако
если слой пространственного заряда перекроет н-базу раньше,
чем достигается вышеупомянутое напряжение пробоя, то про-
изойдет смыкание слоя с переходом J2 и наступит пробой при
напряжении смыкания [Ghundi, 1977]
2еь
(2-4)
где WNX — ширина и-базы; es — диэлектрическая проницаемость.
В действительности напряжение пробоя лежит между значения-
ми VB и Vpl из-за того, что тиристор при обратном смещении
имеет характеристики, аналогичные транзистору. Рассматривая
PlNlP2-cnou как транзистор с общим эмиттером и разомкнутой
базой, можно показать, что ток утечки [Sze, 1981]
/ _ MIL0
L 1 — apllpM '
(2-5)
где IL0 — сумма генерационного тока области пространственного
заряда и диффузионного тока перехода Л [см. уравнение (2.1)];
ссрлр — общий коэффициент усиления транзистора PIN 1Р2\ М —
коэффициент умножения коллекторного перехода J1.
Коэффициент умножения определяет эффекты лавинного ум-
ножения и отношение тока, входящего в область лавины и вы-
текающего из нее. Из уравнения (2.5) видно, что при М =
— ^/арпр ток ограничивается только внешней нагрузкой и проис-
ходит пробой.
Следующее эмпирическое соотношение [Sze, 1981], свя-
зывающее коэффициент умножения с приложенным напряже-
нием V для р — п — р-транзистора с разомкнутой базой, запи-
сывается в виде
1 — (1//1/в)'г« ‘
(2.6)
Следовательно,
Кр=Ив(1 - арпр)'"\ (2.7)
где VB— напряжение пробоя коллекторного перехода; пв.—
коэффициент, изменяющийся в диапазоне от 4 до 10 при различ-
ных значениях напряжения пробоя [Moll, See, Wang, 1970]
(см. рис. 2.2). Таким образом, отношение VB/VB определяется
через общий коэффициент усиления базового тока ос,,,,,,.
Точного аналитического выражения для коэффициента усиле-
ния тока не существует, однако несколько аппроксимаций все-
таки можно сделать.
Коэффициент передачи а определяется как произведение
коэффициента инжекции у и коэффициента переноса аг, т. е.
25
а = уаг. Поскольку на практике
Рис. 2.2. Зависимость множителя п0
от напряжения пробоя для линейно-
го (/) и ступенчатого (2) р+—п-
переходов
в тиристоре концентрация леги-
рующей примеси в слое Р2 высокая, а в слое N1 низкая, коэф-
фициент для слоя Р2. Коэффициент переноса тока
[Herlet, 1965]
cosh (WNl—x„)/Lp ’
где W,Vl и x„ — определяются из рис. 2.1; Lp=^/dptp—диф-
фузионная длина дырок в н-базе. Ширина области пространст-
венного заряда [Sze, 1981]
(2-9)
Заметим, что изменение коэффициента переноса при варьи-
ровании напряжения обусловлено зависимостью ширины обла-
сти пространственного заряда от приложенного напряжения.
Примеры использования вышеприведенных уравнений для
расчета максимального напряжения пробоя VR тиристоров по-
казаны на рис. 2.3. Из .рисунка видно, что при низких уровнях
легирования слоев напряжение пробоя ограничивается эффектом
смыкания слоя пространственного заряда, а при высоких уров-
нях легирования — лавинным пробоем. Оптимальная концен-
трация доноров Nd лежит между этими границами. При /VDonT
напряжение пробоя имеет максимальное значение для данной
ширины IF,у, н-базы.
2.2.2. Прямое закрытое состояние
В прямом закрытом состоянии (рис. 2.4) катод находится
под отрицательным потенциалом относительно анода. Переходы
Л и J3 смещены в прямом направлении, в то время как пере-
26
Рис. 2.3. Зависимости максимального напряжения пробоя тиристора при обрат-
ном смещении в функции концентрации доноров ND в «-базе
ход J2 смещен в обратном направлении и все напряжение в
основном прикладывается к последнему. Для того чтобы понять
работу тиристора в прямом блокирующем состоянии, необходи-
мо рассмотреть прибор в виде комбинации двух транзисторов,
показанной на рис. 2.5. Слои P1N1P2 образуют р—п — р-тран-
зистор, а слои N2P2N2—п— р—н-транзистор. Коллектор каж-
дого транзистора соединяется с базой другого транзистора. Когда
тиристор находится в прямом блокирующем состоянии, эмиттер
каждого транзистора смещен в прямом направлении, по мере
увеличения тока утечки коллекторный ток каждого транзистора
обеспечивает протекание базового тока другого транзистора.
Таким образом, устанавливается положительная обратная связь,
которая приводит к насыщению обоих транзисторов, и происхо-
дит переключение тиристора. При переключении оба транзистора
Рис. 2.4. Тиристор в прямом закрытом состоянии
27
ч) Рис. 2.5. Двухтранзисторная модель тиристора:
УЭ — управляющий электрод
насыщаются и поэтому падение напряжения на тиристоре оказы-
вается незначительным. Этот процесс называется прямым пере-
ключением, так как в результате прибор переключается из
закрытого достояния с высоким сопротивлением во включенное
состояние с низким сопротивлением. Очевидно, когда на тиристор
подается обратное напряжение, его эмиттерные переходы сме-
щаются в обратном направлении, положительная обратная
связь отсутствует и тиристор остается в закрытом состоянии
с высоким сопротивлением.
Условие, при котором происходит прямое переключение при-
бора, может быть получено из рассмотрения двухтранзисторной
модели, приведенной на рис. 2.5, для Ig = 0. Запишем
Лл— (1 арпр)1л lco\\ (2-Ю)
7С2 = арпр1ц1СО2, (2.11)
где /с01 и 1СО2 — токи насыщения коллекторного перехода /2;
сспрп и арпр — общие коэффициенты передачи транзисторов
N2P2N1 и P1N1P2 соответственно.
Из рис. 2.5 видно, что /В|=/С2 и 1А=1К. После некоторых
преобразований вышеприведенных уравнений получаем
(2-12)
, __ 7СО|+/СО2
*А — ~—
1 (с^рпр "Ь ^ripn)
В прямом закрытом состоянии по мере увеличения приложен-
ного напряжения ток утечки тиристора возрастает. Поскольку
оба коэффициента передачи апрп и арпр сильно зависят от тока,
они увеличиваются с возрастанием приложенного напряжения
до тех пор, пока не выполняется условие апрп + аРпр~+1 и не на-
чинает резко возрастать анодный ток, в результате чего про-
исходит прямое переключение прибора. После этого тиристор
28
будет находиться во включенном состоянии с низким сопротив-
лением. На самом деле переключение происходит, когда di/dv^~
—>оо, а точка прямого переключения соответствует условию
[Ghandi, 1977]
ССпрп = 1, (2.13)
где апрп и арпр — коэффициенты передачи в режиме малого
сигнала.
Коэффициент умножения при прямом переключении
М =-----, (2.14)
&прп "г ССрпр
а с другой стороны, используя эмпирическое выражение
М(К) =--------!----, (2.15)
1 i-(V7VB)B
прямое напряжение переключения Кй0 можно связать с напря-
жением лавинного пробоя VB перехода J2 следующим соотно-
шением:
VB0 = VB{\—апрп — арпр)'/П13. (2.16)
Сравнение этого уравнения с соответствующим выражением
для обратного блокирующего напряжения (2.7) показывает, что
lz„,j всегда меньше VR, однако это различие незначительно, если
1 ~CLPnp ИЛИ ССррп ССрпр-
Условие 1^>ссПрп — ссрпр справедливо для низких уровней тока,
поэтому, когда температура прибора повышается, ток утечки
возрастает и Ув0 становится меньше VB, VR и стремится к нулю
при очень высоких температурах. Прямая блокирующая спо-
собность тиристора является очень важной характеристикой,
и в ходе проектирования прибора необходимо оптимизировать
этот параметр. Для обеспечения условия а,,рп<^_арпр осуществля-
ется шунтирование катодного эмиттеру и, как будет показано
ниже, это не только улучшает VB0, но также повышает стойкость
тиристора к эффекту dv/dt.
2.2.3. Шунтирование катодного эмиттера
В случае шунтирования катодного эмиттера тиристора его
p-база соединяется с катодным контактом через распределенные
небольшие сопротивления, называемые катодными эмиттерными
шунтами. На рис. 2.6 показано схематическое изображение по-
перечного сечения тиристора с такими шунтами. За счет наличия
шунтов ток «обходит» переход эмиттер—база п—р—п-транзи-
стора, и, следовательно, уменьшается коэффициент передачи
тока. Рассмотрим этот процесс более подробно на примере мо-
дели, приведенной на рис. 2.7.
29
Рис. 2.6. Схематическое изображение поперечного сечения тиристора с за шунти-
рованным эмиттером
Суммарный коэффициент передачи тока базы п—р—«-тран-
зистора задается соотношением
? г г
_ ‘С2 1 С.О-2
ССпрп — ----------
‘ Е‘2.
(2.17)
Однако, в отличие от незашунтированного тиристора (рис.
2.5) , эмиттерный ток 1Ё2 не равняется катодному току 1К, так как
» (2.18)
где /s — ток эмиттерного шунта. Отсюда эффективный коэффи-
циент передачи зашунтированного п—р—«-транзистора
7 с-2 ~ Ц:о-2
(2.19)
После совместного решения уравнений (2.17) и (2.19) имеем
Рис. 2.7. Двухтранзисторная модель тиристора с зашунтированным катодным
эмиттером
30
Рис. 2.8. Иллюстрация влияния со-
противления шунтирования эмитте-
ра /?, на вольт-амперную характе-
ристику катодного эмиттерного пе-
рехода J3 тиристора
Подставляя аец в уравнение (2.16), получаем следующее вы-
ражение для напряжения пробоя:
Veo = Ve (1 — аеЦ — а-рпр) х/"в. (2.21)
Параметр ас.ц зависит не только от сопротивления шунта Rs,
но также и, от прямого напряжения Efi£, приложенного к пере-
ходу эмиттер—база транзистора. Если Ев/? мало, то эмиттерный
ток 1Е2 оказывается значительно меньше тока шунта Д. Однако
когда V,iE превышает 0,6 В, эмиттерный ток резко увеличивается
(рис. 2.8) и тогда ls<lE2.
Поэтому в тиристоре с зашунтированным эмиттером в закры-
том состоянии а.ец остается незначительным до тех пор, пока
в результате протекания тока VBE не достигнет более высокого
значения, чем напряжение включения, равное примерно 0,6 В.
Затем аец увеличивается, и тиристор переключается в проводя-
щее состояние при напряжении переключения Ув0.
Шунтирование катодного эмиттера используется не только
для управления напряжением переключения, но также позво-
ляет повысить стойкость тиристора к эффекту dv/dt и достичь
ее максимального значения, как будет показано ниже.
В закрытом состоянии переход J2 (рис. 2.4) характеризуется
емкостью С,/, которая зависит от напряжения. Для несиммет-
ричного резкого перехода [Sze, 1981]
2(Vbi±V-2kT/q)
а для линейного перехода
qadl 1 1/3
12(14,±IZ) J
(2.22)
(2.23)
где es — диэлектрическая проницаемость; Уы — встроенный по-
тенциал перехода /2; k — постоянная Больцмана; Т — темпера-
" 31
тура. Под действием приложенного напряжения dv/dt в приборе
вследствие удаления заряда из перехода J2 будет протекать ток
смещения
ldis = Cd-^~. (2.24)
аг
Протекание этого тока приводит к увеличению коэффициен-
тов передачи тока двухтранзисторной модели и вызывает пере-
ключение тиристора, когда сумма коэффициентов передачи пре-
вышает единицу. Если шунтировать катод, то удается предот-
вратить это нежелательное переключение вплоть до очень боль-
ших значений dv/dt.
В этом случае ток смещения обходит катодный эмиттерный
переход, т. е. в соответствии с рис. 2.7 /rfls является компонен-
той /,, а це /и, и, следовательно, ток смещения существенно не
влияет на апрп. Посредством использования шунтирования эмит-
тера стойкость к эффекту dv/dt можно повысить от несколькйх
десятков до нескольких тысяч вольт в микросекунду. Более де-
тально анализ шунтирования катодного эмиттера и конструкции
образцов, используемых для современных высоковольтных
тиристорор, будут обсуждаться в § 3.4.
2.2.4. Поверхностные эффекты
В вышеприведенных рассуждениях предполагалось, что про-
бой тиристора происходит в объеме кремния. Следует отметить,
однако, что на практике напряжение пробоя определяется тем,
какую форму имеет структура прибора на краю тиристора или
в тех областях, где переходы Л и J2 выходят на поверхность
кремния. Одномерные выражения применимы только для
р—«-перехода с бесконечной плоскостью. Конфигурация поверх-
ности в месте выхода перехода играет важную роль по той при-
чине, что начало лавинного пробоя определяется исходя из на-
пряженности электрического поля, например, в киловольтах на
сантиметр, которая становится больше некоторого критического
значения (приблизительно 200 кВ/см для кремния), а макси-
мальная напряженность электрического поля вблизи места вы-
хода перехода на поверхность или на самой поверхности обычно
больше, чем в объеме. Поэтому при конструировании тири-
стора необходимо принимать специальные меры, обеспечиваю-
щие поле на поверхности настолько низким, насколько возмож-
но для того, чтобы достичь максимального напряжения пробоя.
Различные методы, которые используются для снижения до
минимума вредных влияний краевых поверхностных эффектов,
определяются целым рядом факторов, например номинальным
напряжением тиристора, его размерами и технологией изготов-
ления на производстве.
32
Рис. 2.9. Планарный диффузионный
переход, изготовленный диффузией р-
типа через «окно» диаметром R„, в
маскирующем слое (/)
Рис. 2.10. Отношение напряжения про-
боя искривленного перехода l/R к на-
пряжению пробоя плоского перехода
V,,,, в функции о/И7 для резкого р ь —
«-перехода
2.2.4.1. Полевые кольца. Общим методом изготовления диф-
фузионных переходов является метод диффузии «в окне» в изо-
лирующей пленке: так называемая планарная технология
(рис. 2.9). В этом случае край перехода определяется искрив-
ленной областью цилиндрического (вдоль прямого края диффу-
зионного окна) или сферического типов (в углах) или их ком-
бинацией. Вследствие искривления в этих областях переходы
будут иметь более высокий потенциал электрического поля, чем
в случае плоского перехода, и, следовательно, пониженное на-
пряжение пробоя.
Вопросы влияния кривизны перехода на напряжение пробоя
изложены в [Basavanagoud, Bhat, 1985], где проанализированы
воздействия поперечного радиуса кривизны Рт и радиуса кри-
визны перехода г,, а результаты исследований показаны на
рис. 2.10. Когда А„=0, переход является полностью сфериче-
ским, а когда — полностью цилиндрическим.
Очевидно, что если используются планарные переходы, то
желательно иметь кривизну перехода как можно больше, чтобы
избежать острых углов. Однако для высоковольтных приборов
параметр rJW (где IV7—ширина области в объемном заряде),
как правило, не выше 0,5, в результате И/?/КРр<65%. Это
болёе низкое процентное отношение, чем допускается при кон-
33
пространственного
заряда.
Рис, 2.11. Граница р—n-перехода, защищенная двумя диффузионными полевыми
кольцами
струировании современного мощного прибора. Для того чтобы
решить эту проблему, обычно используются полевые кольца.
Планарный переход с полевыми кольцами показан на рис.
2.11. Кольца называются полевыми потому, что окружают основ-
ной переход и снижают поле на поверхности структуры. Такие
структуры «могут быть изготовлены в виде диффузионных колец
одновременно с основным переходом, при использовании тех же
самых маскирующих слоев. Расположение первого полевого
кольца выбирается таким образом, чтобы слой пространствен-
ного заряда основного перехода смыкался с ним при некотором
напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя основного пере-
хода. *
После смыкания любое увеличение напряжения будет при-
нимать на себя кольцевой переход. Напряжение пробоя струк-
туры с двумя кольцами
V/? = Vp/oH- Vpn -|- Vc2, (2.25)
где Vpio — напряжение смыкания основного перехода с коль-
цом /; Vpn — напряжение смыкания кольца 1 с кольцом 2;
Рс2 — напряжение пробоя кольца 2, обусловленное эффектом
либо цилиндрического, либо сферического перехода. Поскольку
уменьшение напряжения пробоя, обусловленное кривизной пере-
хода, в последнем выражении является наиболее важным огра-
ничивающим фактором, полное напряжение пробоя может быть
увеличено.
В работе [Као, Wolley, 1967] продемонстрированы воз-
можности этого способа и получены на структурах с тремя
охранными кольцами напряжение пробоя 2000 В на кремнии с
удельным сопротивлением 80 Ом-см и 3200 В на кремнии с
удельным сопротивлением 220 Ом-см. Однако следует отметить,
что на высокоомном материале интервалы между кольцами дол-
жны быть очень большими, чтобы получить высокую пробивную
способность. Поэтому полевые кольца редко применяются для
высоковольтных приборов.
2.2.4.2. Механическое профилирование. Для р—« перехода
при обратном смещении значительное уменьшение поля на по-
верхности достигается за счет ее механического профилирова-
ния в местах выхода перехода. Рассмотрим два простых крае-
34
Б)
Рис. 2.12. Изменение границ области пространственного заряда на поверхности
перехода при отрицательной (а) и положительной (б) фасках
вых профиля или так называемые фаски, которые применяются
на практике: отрицательную и положительную (рис. 2.12).
В случае отрицательной фаски площадь перехода увеличи-
вается в направлении от сильнолегированной к слаболегирован-
ной части, а в случае положительной фаски уменьшается. Ана-
лиз влияния поверхностного контура на электрическое поле в
полупроводнике основывается на решении уравнения Пуассона
VE= 1- р(х, у), (2.26)
где Е — напряженность электрического поля; es — диэлектриче-
ская проницаемость; р(х, у) —общая плотность электрического
заряда.
В области объемного заряда р(х, у) характеризует общую
плотность заряда примеси в каждой точке (х, у). Вне полупро-
водника, например в диэлектрике, заряд может быть равен
нулю. Необходимо также принимать во внимание любой заряд на
поверхности кремния, который оказывает существенное влияние
на электрическое поле.
Главной сложностью при решении уравнения (2.26) является
то, что локализация области пространственного заряда в р—п-
переходе зависит от распределения электрического поля. По-
этому решение можно отыскать методом итерации. Вычисление
с помощью ЭВМ этого решения разрабатывалось несколькими
авторами [Davies, Gentry, 1964], [Adler, Temple, 1976], [Cornu,
1973, 1974].
На рис. 2.13 приведены результаты исследований [Davies,
Gentry, 1964], которые явно демонстрируют различное влияние
положительной и отрицательной фасок. В этом примере напря-
женность поля в объеме приблизительно равна 200 кВ/см, по-
этому для всех положительных фасок поле на поверхности
меньше, чем в объеме, тогда как в случае отрицательной фаски
для того, чтобы достигнуть такого же снижения поля, требуется
меньший угол.
В [Davies, Jentry, 1964] показано, что для положительной
фаски положение максимума электрического поля на поверх-
ности сдвигается от перехода к его слаболегированной стороне.
35
Отрицательный Положительный
угол tpawu. угол tpac/w.
Рис. 2.13. Максимальное значение элек-
трического поля для отрицательной и по-
ложительной фасок р+—п-переходов
После вычисления значений на-
пряженности электрического поля
на некотором расстоянии от по-
верхности также можно заклю-
чить, что поле плавно уменьша-
ется от поверхности к объему.
Хотя, как показано на рис. 2.12,
область пространственного заря-
да для положительной фаски из-
гибается от перехода в сторону
слаболегированной области, для
отрицательной фаски она изгиба-
ется в слаболегированной области по направлению к выходу
перехода на поверхность. Таким образом, в случае резкого пере-
хода отрицательная фаска будет вызывать увеличение поля на
поверхности.
Однако на практике в тиристоре блокирующие р—п-переходы
являются не резкими, а глубокими диффузионными переходами,
в которых максимум электрического поля локализован на диф-
фузионной стороне перехода. Поэтому искривление слоя прост-
ранственного заряда в слаболегированной области перехода
приводит к снижению поля (для очень малых углов скоса).
В [Adler, Temple, 1976] большое значение придается влия-
нию глубины диффузионного перехода и градиента примеси на
напряжение пробоя перехода с отрицательной фаской. В этой
работе показано, что напряжение пробоя достигает наибольшего
значения, когда области объемно,го заряда с каждой стороны
перехода равны. Эти условия реализуются только для глубоких
диффузионных переходов с плавным градиентом примеси.
Другое свойство отрицательной фаски отмечено в [.Cornu,
1973]. Речь идет о том, что максимум поля локализуется в точ-
ке, расположенной приблизительно на 25 мкм ниже поверхности,
причем его значение больше, чем в объеме. Поэтому несмотря на
то, что поле на поверхности может оказаться меньше, чем в
объеме, за счет создания плавного градиента, прибор не до-
стигнет идеального напряжения пробоя, поскольку поле непо-
средственно над поверхностью остается больше, чем в объеме.
Для реальных тиристоров необходимо также рассматривать
влияние поверхностного заряда. Это особенно справедливо в
отношении высоковольтных тиристоров, у которых невысокий
уровень легирования n-базы и, следовательно, незначительный по
уровню заряд могут оказывать сильное негативное воздействие.
Например, в [Bakowski, Lundstrom, 1973] показано, что нали-
Рис. 2.14. Фаски, применяемые в ти-
ристоре
Рис. 2.15. Поверхностный контур в
виде вытравленной канавки
чие поверхностного зарядк 1012 см 2 приводит к существенному
увеличению поля на поверхности р—n-перехода, если и-слой
легирован до уровня 6-1013 см”3.
Примеры контуров фасок мощных тиристоров показаны на
рис. 2.14. На рис. 2.14, а изображена обычная двойная фаска,
состоящая из отрицательной фаски под малым углом для бло-
кирования прямого напряжения перехода /2 и положительной
фаски для блокирования напряжения перехода //. Напряжение
пробоя перехода J2 может быть гораздо меньше, чем Л. Для
приборов на напряжение выще 1000 В требуется изготавливать
фаску с углом ()<С6°, в результате чего происходит значитель-
ная потеря полезной площади тиристора.
В качестве альтернативы была предложена двойная положи-
тельная фаска [Cornu, 1974], приведенная на рис. 2.14,6. С ее
помощью удается получить близкое к идеальному напряжению
пробоя для обоих переходов Л и J2. Рассмотренная фаска имеет
только один недостаток: вследствие отклонения от идеальной
формы положительной фаски в точке А, где пересекаются фаски
переходов // и 12, немного увеличивается напряженность поля
на поверхности по сравнению с идеальной положительной
фаской.
Однако, поскольку угол фаски может превышать 30°, полез-
ная площадь тиристора оказывается гораздо больше, чем в слу-
чае отрицательной фаски, что широко используется при кон-
струировании высоковольтных тиристоров (4 кВ и выше).
Для достижения идеальных форм фасок на практике исполь-
зуется механическая абразивная обработка. Поэтому их приме-
нение ограничивается приборами большой площади. Для тири-
сторов диаметром менее 15 мм экономически целесообразно сни-
Рис. 2.16. Стеклопассива'ция канавки, включая п+ -диффузионный слой.на одной
ее стороне, предотвращающий чрезмерное распространение пространственного
заряда (а) влияние плотности заряда в стекле на максимальное значение
электрического поля (б):
К - катод; 1 — стекло; 2 — расширение слоя пространственного заряда прн отрицатель-
ном заряде; <3 — слой пространственного заряда; А — анод; 1 — поле в точке А, II — поле
в точке В
жать поле на поверхности методом травления, создавая таким
образом на ней различные контуры.
2.2.4.3. * Контуры, изготавливаемые травлением. Простой кон-
тур, изготовленный методом травления, показан на рис. 2.15.
Вытравленная канавка напоминает отрицательную фаску, но
обеспечивает более высокую напряженность поля на поверхно-
сти, составляющую от 60 до 80% объемного напряжения про-
боя. Улучшение условий на поверхности может достигаться пу-
тем использования пассивации диэлектриком, который обладает
контролируемым фиксированным зарядом [Sakurada, Ikeda,
1981].
На рис. 2.16 изображена простая канавка с ^-диффузион-
ным слоем на одной стороне в ‘целях предотвращения чрез-
мерного распространения слоя пространственного заряда. До-
бавление отрицательного заряда в диэлектрик вызывают рас-
пространение слоя пространственного заряда из n-базы поперек
канавки и обуславливают снижение максимального значения на-
пряженности электрического поля в окрестности р—л-перехода.
Однако, когда слой объемного заряда распространится до
н + -области, на другой стороне канавки напряженность поля на
п—м+-переходе возрастет. Таким образом, путем соответствую-
щего подбора плотности заряда стекла максимальную плотность
электрического поля можно снизить.
Альтернативой увеличения поверхностного заряда на крем-
нии является, например, ионная имплантация. В [Temple, 1983а,
1983в] рассмотрен метод применительно к структуре, изображен-
ной на рис. 2.17. Показано, что, подбирая соответствующий
уровень имплантируемого заряда, можно получить напряжение
пробоя, равное 95% расчетного значения.
38
рис. 2.17. Использование ионно-
имплантированного p-слоя для
изменения слоя пространствен-
ного заряда на поверхности
кремния с меза-переходом, по-
лученным методом травления:
I — область диффузии; 2 — нонно-
имплантированная область, полу-
ченная травлением, 3—слой про-
странственного заряда
Другой контур, полученный методом травления, показан на
рис. 2.18 [Temple, Adler, 1976]. За счет травления слоя про-
странственного заряда в диффузионной p-области происходит
расширение границы области пространственного заряда в силь-
нолегированной р-области.\В результате поле на поверхности
уменьшается. Напряженность поля достигает 95% идеальной на-
пряженности, но это возможно только после тщательного контро-
ля глубины травления z [Temple, 1983а] (например, ±2 мкм
при 35 мкм удаленных травлением).
Во всех вышеописанных контурах как с фаской, так и с ка-
навкой напряженность электрического поля на поверхности и
вблизи нее, обусловленную формой контуров и поверхностным
зарядом, можно смоделировать и рассчитать на ЭВМ при до-
вольно простых допущениях.
2.2.5. Механизмы повреждения
Ниже обсуждаются причины повреждения приборов при вы-
ключении. Дефекты кремния или примеси вводятся в тиристор
на стадии изготовления, несмотря на то что процедура произ-
водства прибора проектируется таким образом, чтобы свести к
минимуму такие дефекты (см. гл. 5). Иначе говоря, полностью
избежать образования небольшой плотности точечных дефектов
не удается. При наличии этих дефектов плотность тока при об-
ратном смещении р—«-перехода может быть выше, чем в обла-
сти бездефектного кремния. Малые области повышенной плот-
ности тока называются микроплазмами.
Рис. 2.18. Контуры, полученные травлением, уменьшающие максимальное зна-
чение поля на поверхности за счет травления слоя пространственного заряда с
контролируемой величиной:
а — плоский переход; б — планарный переход; 1 — слой пространственного заряда
3')
Когда напряжение смещения увеличивается в точках, где
происходит умножение локального заряда, происходит пробой.
Внутри этих микроплазм имеется состояние равновесия, при
котором умножение носителей точно сбалансировано выводом
носителей в окружающий кремний.
Однако если плотность тока микроплазмы становится чрез-
мерно большой, то локальная температура может стать доста-
точной для того, чтобы концентрация собственных носителей пре-
высила уровень легирования основного материала. При этом
микроплазма становится нестабильной и образуется так называе-
мое горячее пятно, или мезоплазма. Плотность тока увеличи-
вается, а температура еще более повышается, что обусловли-
вается генерацией носителей.
В результате этой положительной обратной связи возникает
быстрое повышение температуры в горячем пятне, которое может
в конце концов привести к разрушению прибора. Расплавление
кремния или металлических контактов происходит при возникно-
вении высокого температурного градиента, что, в свою очередь,
вызывает растрескивание самого кристалла. Температура не-
стабильности микроплазмы зависит главным образом от той
температуры, при которой собственная проводимость преобла-
дает над примесной [Sze, 1981]. Эта температура уменьшается,
когда снижается уровень легирования.
Таким образом, мы познакомились с потенциальной моделью
разрушения тиристоров, подвергающихся воздействию обратного
лавинного пробоя, особенно в условиях повышенной температуры
перехода. Следует заметить, что рассмотренные условия являют-
ся следствием, в частности, высокой плотности тока, поэтому
мезоплазма может образоваться от повторного приложения вы-
сокого напряжения следующего импульса, когда прибор нагрет
в локальной области.
Горячее пятно появляется в результате случайного включения
тиристора по аноду или чрезмерно большого значения dv/dt.
В этих случаях области с высокой плотностью тока не способны
достаточно быстро распространиться, чтобы предотвратить уве-
личение плотности тока, и тиристор пробивается. Аналогично
происходит пробой и от воздействия di/dt.
2.3. Характеристики включения
Тиристоры переключаются из закрытого в открытое состоя-
ние, когда сумма их малосигнальных коэффициентов передачи
превышает единицу (айрй + арйр^ 1). Такое условие достигается
благодаря увеличению плотности тока в приборе тремя возмож-
ными методами: du/dZ-запуском; Кво-запуском и запуском с по-
мощью управляющего электрода. Последний метод наиболее
40
широко используется для включения тиристоров, поэтому рас-
смотрим его в первую очередь.
Приложение управляющего сигнала к третьему выводу ти-
ристора не вызывает немедленного протекания тока через при-
бор, поскольку должно пройти определенное время (время вклю-
чения) между приложением управляющего сигнала и наступле-
нием полной проводимости тиристора.
Принято считать, что время включения состоит из трех
следующих отдельных составляющих: во-первых, время задерж-
ки, проходящее между моментом приложения управляющего
сигнала и моментом, когда появляется небольшой анодный ток,
который можно измерить на электродах тиристора; во-вторых,
время нарастания, в течение которого происходит нарастание
анодного тока (более точно для тиристоров оно определяется
как время, за которое напряжение упадет до 10% своего перво-
начального значения); в-третьих, время распространения, за
которое анодное напряжение восстанавливается до своего ста-
ционарного значения и тиристор становится полностью прово-
дящим.
Моделированием этапа Включения занимался целый ряд ав-
торов. Однако точное воспроизведение процесса включения
ограничивается неоднородностью и, по- существу, трехмерной
природой этого процесса. Когда тиристор переключается в про-
водящее состояние, вначале включается только очень малая
область эмиттера вблизи управляющего электрода. Затем эта
первоначальная включенная область быстро распространяется
по прибору до тех пор, пока весь эмиттер не становится про-
водящим. Очевидно, что если требуется проводить большой ток
сразу после подачи управляющего сигнала, когда в первоначаль-
ной проводящей области протекает ток большой плотности, то
произойдет сильный локальный разогрев, пока не будет иметь
место быстрое распространение проводящей области.
Локализация процесса включения и сильное взаимодействие
прибора и внешней цепи усложняют расчеты и позволяют про-
изводить анализ только приближенным методом. Несмотря на
эти ограничения, существует несколько работ, в которых сделан
анализ физических процессов при включении тиристора, позволя-
ющий грамотно подходить к конструированию прибора с задан-
ными параметрами, а также контролировать скорость и одно-
родность его перехода из выключенного состояния во вклю-
ченное.
2.3.1. Время задержки
В течение этапа задержки включения переход 13 смещается
управляющим током приблизительно до напряжения от 0,5 до
0,6 В и инжектирует электроны, которые движутся от /г-эмиттера
к переходу 12. Когда первые электроны достигнут 12, их присут-
41
ствие в области объемного заряда на стороне p-базы вызывает
сжатие перехода, в то время как электроны в области объемного
заряда на стороне n-базы вызывают его расширение по направ-
лению к переходу Л.
Если область объемного заряда достигает слоя Л, то в
Р1ЛЧР2 транзисторе будет происходить смыкание, „вызывая рез-
кое увеличение тока до тех пор, пока сумма арпр-]-апРп не станет
равна единице. Область пространственного заряда как бы сжи-
мается в результате нарастания тока.
На практике сжатию слоя объемного заряда помогает дрей-
фовое поле, установившееся в базе N1, благодаря присутствию
здесь электронов, перенесенных через переход J2, которые
вызывают поток дырок от анодного эмиттера Р1. Существует
ярко выраженная зависимость времени задержки от времени
пролета носителей через базовые области.
Для высоковольтных тиристоров базовые области широкие и
поэтому время задержки, как и следует ожидать, является доста-
точно большим, особенно в случае их применения в высоко-
вольтных преобразователях, когда они включаются при низких
напряжениях. Время задержки включения, наоборот, уменьшает-
ся, когда включение осуществляется при высоком напряжении.
Это происходит потому, что ширина области пространственного
заряда увеличивается и уменьшается эффективная ширина ба-
зовой области, что приводит к уменьшению эффективного време-
ни пролета базы.
Время задержки включения зависит также от прикладывае-
мого управляющего тока. В [Bergman, 1965] описана простая
одномерная модель для изучения влияния управляющего тока.
Оказалось, что время задержки уменьшается при увеличении
тока и за счет сокращения времени пролета базы составного
транзистора N2P2N1.
2.3.2. Этап нарастания тока
Этап нарастания тока может рассматриваться как период
времени, в течение которого имеет место нарастание избыточной
плотности носителей в тиристоре. Время нарастания определя-
ется в результате аппроксимации времен пролета носителей
через п- и p-базы. В [Sze, 1981] для анализа этого времени
использовался зарядовый метод и не учитывалась рекомбинация
носителей. Со ссылкой на двухмерную модель, показанную на
рис. 2.5, предполагалось, что запасенные уровни заряда в р —
— п—р- и п—р — « транзисторах равны Qi и (Д соответственно.
Поэтому для контролируемого заряда можно записать dQl/dt =
=1с2 и dQ2/dt=ICA.
Дальнейшее упрощение справедливо, если не учитывать ре-
комбинацию в базовых областях. В этом случае для коллек-
42
торного тока IC2 = Ch/tr2 и Icl=Q]/tn, где ttl = W2Ni/2Dp и tl2 =
= Wp2/2Dn — времена диффузии в слоях. N1 и Р2, ширина ко-
торых WNi и WP2 соответственно; Ор и Dn — коэффициенты
диффузии дырок и электронов. Поэтому, приравнивая вышепри-
веденные уравнения и исключая из них /С|, /С2 и Q2, получаем
(2-27)
al Z/i
Решение уравнения записывается в виде ехр (— где
время нарастания tr = ^tu tl2- Выражение для времени нараста-
ния, полученное в [Bergmann, 1965], учитывает коэффициенты
передачи двух транзисторов (хотя предполагается, что эффек-
тивность эмиттеров равна единице), т. е.
tr = 2(---(2.28)
'ОЬлрл Ч- CLpnp 1
Приведенное выражение для времени нарастания можно
трактовать только как очень грубое приближение. В частности,
следует отметить, что времена пролета и нарастания тока зави-
сят от напряжения. Время нарастания тока, кроме того, зависит
также и от тока, а ток и напряжение изменяются очень быстро
в течение этого этапа.
Однако уравнение (2.28) показывает, что время нарастания
увеличивается, когда возрастает время пролета и нарастание
тока уменьшается. Другими словами, для быстрого включения
тиристора необходимо иметь узкую базовую область и высокие
коэффициенты усиления р — п — р- и п—р — н-транзисторов.
К сожалению, как будет показано позднее, требование к коэф-
фициентам усиления транзисторов, которое обеспечивается за
счет повышения времени жизни неосновных носителей заряда,
не согласуется с требованием быстрого выключения прибора.
Это необходимо учитывать при проектировании тиристоров, так
как обычно быстрое включение и быстрое выключение требуется
для высокочастотного прибора.
Ранее предполагалось, что время нарастания является пол-
ностью зависимым параметром. На практике внешняя цепь
накладывает свои ограничения на нарастание тока и по этой
причине время нарастания обычно определяется как время, в
течение которого напряжение уменьшается на 10%, а ток увели-
чивается.
Если в цепи имеется индуктивная нагрузка, то она посред-
ством индукции будет сдерживать нарастание анодного тока.
Различие в форме сигнала напряжения и тока между активной и
индуктивной нагрузками показано на рис. 2.19. В случае резис-
тивной нагрузки ток и напряжение спадают и нарастают одно-
временно. Это происходит потому, что цепь определяется зако-
ном Ома, а в конце этапа включения почти все напряжение,
43
Рис. 2.19. Включение тиристора при активной (а) и индуктивной (б) нагрузках
которое было на тиристоре, падает на сопротивлении нагрузки.
Для индуктивной нагрузки, однако, любое увеличение тока
индуцирует напряжение, равное ' L (di/dt). Напряжение на
приборе уменьшается до минимума, прежде чем ток возрастает
до своего максимального значения, и, таким образом, ограни-
чивается скорость нарастания тока. Поскольку мощность, рас-
сеиваемая за время включения, является произведением тока
и напряжения, при активной нагрузке она достигает максималь-
ного значения.
Когда анодное напряжение уменьшается, анодный ток начи-
нает расти и тиристор переходит во включенное состояние.
2.3.3. Распространение плазмы
В конце этапа времени нарастания тока тиристор находится
в проводящем состоянии. Если его ток превышает ток удержа-
ния, то прибор продолжает находиться в проводящем состоянии,
даже когда прекращается ток управления. Однако в данный
момент ток протекает только в первоначальной части тиристора,
примыкающей к управляющему электроду (рис. 2.20). Оставшая-
ся часть катода становится проводящей за счет распространения
плазмы. Время, в течение которого включенное состояние распро-
страняется по всей площади катода, называется временем рас-
пространения включенного состояния.
В тиристоре время распространения значительно больше
времени нарастания, и рассмотрение его представляет значи-
44
Рис. 2.20. Распростри пение включен по- Рис. 2.21. Петля прямой проводимости,
го состояния: показывающая влияние скорости рас-
К - катод; ,УЭ управляющим электрод; пространения на вольт-амперную ха-
Д анод; / направление распростри ле- рактеристику тиристора
имя плазмы; 2 - проводящий шнур
тельный интерес, поскольку оно влияет на динамические свой-
ства прибора. В течение этого времени падение напряжения на
приборе много больше, чем при полностью включенном тиристо-
ре. В зависимости от размеров прибора время распространения
может достигать нескольких сотен микросекунд. В результате
экспериментальных наблюдений за распространением проводя-
щей плазмы [Dondson and Longini, 1966] оказалось, что ско-
рость распространения зависит от плотности анодного тока
следующим образом:
VspOcJ 1/Н,
(2.29)
где п коэффициент, принимающий значение от 2 до 6 в зави-
симости от типа прибора. Эти значения подтвердились в ходе
измерений, полученных в [Yamasaki, 1975] с использованием
инфракрасной измерительной системы с временным разрешением.
Для тиристора без шунтирования эмиттера н = 2,1, а с шунтиро-
ванием эмиттера « = 2,7. При использовании системы контроль-
ных зондов в [Ikeda and Araki, 1967] была установлена анало-
гичная зависимость скорости распространения от плотности тока
с п = 2. Причем выяснилось, что увеличение тока управления
при включении тиристора расширяет размеры первоначальной
области включения только в непосредственной близости от
управляемого контакта и не влияет на скорость распространения.
Можно исследовать физику процесса распространения плаз-
мы . с помощью эффектов диффузии и электрического поля.
Вблизи первоначально проводящей области существует сильный
градиент носителей между включенной и выключенной областя-
ми. Таким образом, заряд будет протекать от проводящей к
45
непроводящей области перехода. Однако, как утверждается в
[Pul, 1970], влиянием электрического поля в p-базе пренебрегать
не следует. Поле перемещает включенную зону в направлении
выключенной зоны. Согласно модели Рула зависимость скорости
распространения от плотности тока записывается в виде
usp=A In J-j-B. (2.30)
Действие эмиттерных шунтов замедляет скорость распростра-
нения плазмы, так как они локально понижают поле в р-базе,
отклоняя в ней поперечный ток проводимости. Результаты ис-
следований, полученные в [Suzuki е. а., 1982] с использова-
нием техники потенциального зонда, не только подтвердили
выводы о распространении включенного состояния в p-базе, но
так^се дополнительно показали, что избыток носителей в и-базе
большей частью обусловлен поперечными диффузионными эф-
фектами. *
С помощью точной математической модели [Adler, 1980],
удалось объяснить механизм этого процесса. Оказалось, что
распространение плазмы начинается сразу же, как только дости-
гается уровень носителей, необходимый для модуляции проводи-
мости поперечного базового сопротивления вблизи края катода.
Это определяется только инжекцией носителей от управляющего
контакта. Одновременно происходит распространение плазмы,
причем ее скорость зависит от избытка заряда дырок, которые
участвуют в рекомбинации, а также встроенного заряда в про-
водящей области p-базы. Взаимосвязь размера проводящей
области X и плотности тока J выглядит следующим образом:
Jl/noc(-^-)ln (X). (2.31)
Это выражение сильно отличается от вышеприведенных
уравнений (2.29) и (2.30), которые хорошо согласуются с экспе-
риментальными данными. Однако, как показано в [Adler, 1980],
неблагоразумно придавать большое значение этим соотношени-
ям, ввиду ограниченных областей и расхождений в определении
скорости распространения значительной части полученных дан-
ных.
В [Matsuzawa, 1973] приводятся некоторые эксперименталь-
ные данные о влиянии времен жизни неосновных носителей
заряда т и ширины базы WNX на vsp, а именно:
vsp ос т|/2; (2.32)
Xv/ ' (2.33)
Например, в пределах плотности тока от 40 до 1000 А/см2
скорость распространения варьируется от 2,5 до 9 • 103 см/с.
4(,
При изменении времени жизни носителей заряда от 1 до 30 мкс
vsp увеличивается от 3 до 20 • 103 см/с. С увеличением ширины
базы от 100 до 800 мкм vsp снижается от 8 до 1000 см/с.
Поэтому можно предположить, чтб тиристоры с узкимии базовыми
областями и большими временами жизни носителей имеют
меньшее время распространения.
В [Assalit, Kim, Celie, 1983] были получены данные о рас-
пространении плазмы на основании измерений вольт-амперных
характеристик тиристора. На рис. 2.21 показана петля вольт-
амперной характеристики, которая является результатом прило-
жения однонолупериодного тока к тиристору. С увеличением
тока напряжение возрастает, достигая своего максимального
значения, так как в тиристоре не происходит мгновенного пере-
хода в состояние полной проводимости.
Однако если ток превышает некоторое значение /с/ , то тирис-
тор становится полностью проводящим. Дальнейшее пропорци-
ональное увеличение тока и напряжения показано на рис. 2.21
штриховой линией. При токе меньше ICL напряжение падает со
снижением тока более плавно, а это значит, что проводящее
состояние распространилось в приборе полностью.
Уровень тока ICL, названного током смыкания, позволяет
исследовать явление распространения плазмы в приборе, по-
скольку он изменяется обратно пропорционально скорости рас-
пространения Vsp.
В [Assalit, Kim, Celie, 1983] рассчитан ток смыкания как
функция нескольких параметров прибора с использованием тес-
товых тиристоров 2000 и 1200 В (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Обобщение результатов расчета зависимости тока смыкания
от параметров прибора
Увеличиваемые параметры прибора
Ширина р-базы
Ширина л-базы
Время жизни неосновных носителей за-
ряда
Плотность шунтировки эмиттера
Проводимость эмиттера
Температура перехода
Плотность тока смыкания
Увеличивается
»
Уменьшается
Увеличивается
Уменьшается
»
2.3.4. di/dt-стойкость
Если начальная скорость возрастания анодного тока окажет-
ся слишком высокой, то тиристор может повредиться в результа-
те увеличения температуры структуры. Ограничение скорости
dl/dt для предотвращения разрушения прибора связано с разме-
рами первоначальной области включения и скоростью ее распро-
странения. Разрушение слоя кремния очень устойчиво и сопро-
47
вождается выходом прибора из строя. В [Ikeda and Araki, 1967]
было показано, что диапазон температур, при котором тиристор
выходит из строя от эффекта di/dt, лежит в интервале темпера-
тур от 1100 до 1300° С, фактически несколько ниже температуры
плавления кремния (1415° С). Разрушения происходят по не-
скольким причинам. Высокий градиент температуры между про-
водящей и непроводящей областями обусловливает локальное
напряжение кремния вследствие эффекта термического расшире-
ния, вызывающего разрушение кремния или металлического
контакта. Кремний при температуре выше 600° С быстро разру-
шается, вызывая тем самым короткое замыкание через прибор.
Стойкость прибора к эффекту di/dt может быть повышена
путем увеличения размера начальной области включения при
проектировании эмиттера тиристора с большой протяженностью
края управляющего электрода (§ 3.5). Аналогичный результат
удается получить также посредством уменьшения времени вклю-
чения, так как выделяемая энергия за это время будет мини-
мальной за счет уменьшения времени распространения.
2.4. Открытое состояние
•
Во время нормальной работы тиристор должен обеспечить
большой ток с минимальной потерей мощности. По этой причине
рассмотрение вольт-амперных характеристик является важным
моментом при проектировании тиристора.
Когда тиристор находится в проводящем состоянии, р-эмит-
тер инжектирует дырки, а «-эмиттер — электроны в л- и р-базы
соответственно. Плотность избыточного заряда носителей значи-
тельно превышает основной уровень легирования базовой обла-
сти. Поэтому тиристор в стационарном проводящем состоянии
очень напоминает р—i—«-диод (рис. 2.22) с дырками, «текущи-
ми» от р-эмиттера, и электронами, «текущими» от «-эмиттера,
«заливающими» базовые области. Такая высокая плотность
электронов и дырок в результате приводит к возникновению так
называемого эффекта модуляции
проводимости, при котором суще-
ственно уменьшается сопротивле-
ние базы до низкого уровня, и на
тиристоре в открытом состоянии
падение напряжения весьма мало.
Для изучения влияния физиче-
ских параметров прибора на его
характеристики в открытом состо-
янии используется р—i—«-модель
проводящего тиристора. Однако
следует отметить, что р—i—п-мо- .
дель не учитывает влияния перехо-
да J2. В период проводимости переход J2 становится прямосмещен-
ным: он ведет себя как коллекторный переход транзисторов
P1N1P2 и N2P2N1, которые в условиях высокой плотности тока
являются насыщенными. Переход J2 становится смещенным в
прямом-направлении потому, что для N2P2N1 транзистора дырки
инжектируются обратно из базы Р2 в коллектор N1, а в транзисто-
ре P1N1P2 электроны инжектируются из базы N1 к коллектору Р2.
Обратная инжекция в каждом случае необходима для обеспечения
нейтральности заряда, т. е. равенства концентрации подвижных
дырок и электронов. Таким образом, заряд в тиристоре отличается
от заряда в р—i—«-диоде за счет небольшой обратной инжекции
зарядов через переход J2.
Справедливость диодной р—i—«-модели тиристора подтверж-
дается в [Chang, Wolley, Bevacyna, 1973] с помощью расчетов
на ЭВМ. Авторы установили, что в нормальном и импульсном
диапазонах тиристоры ведут себя почти так же, как р—i—«-дио-
ды, независимо от концентрации легирующей примеси вплоть до
величины 1017 см -3. Поэтому целесообразно рассмотреть работу
р—i—n-диода в открытом состоянии.
2.4.1. р—i—«-диод
Если предположить что для р—i—«-диода, показанного на
рис. 2.22, эффективность инжекции из крайних областей равна
единице, т. е. отсутствует протекание тока неосновных носителей
заряда в эти крайние области, то прямой ток
d
/=$ qGdx (2.34)
—d
обусловливается только рекомбинацией электронов и дырок в ба-
зовой области.
Ширина базы WB = 2d, скорость рекомбинации, определяемая
при высоких уровнях тока, О = п/тец, где тРд — эффективное
время жизни носителей заряда. Предполагается, что средние
концентрации инжектируемых дырок р и электронов « равны и
значительно превышают собственную концентрацию носителей
«,.
После интегрирования уравнения (2.34) получаем
J=2qnd (2.35)
Если далее сделать предположение об однородности концен-
трации носителей в базе и пренебречь диффузией носителей, то
плотность тока, обусловленную усредненным электрическим по-
лем Е, можно записать в виде
J = q(pn + lip)nE, (2.36)
49
где |j,n и цр — соответственно подвижности электронов и дырок.
Поскольку напряжение в /-области Vi=2dE, после совместного
решения уравнений (2.35) и (2.36) имеем
К =. (2.37)
(Рп+Рр)ТеЛ
Это выражение дает очень ценную информацию о двух основ-
ных факторах падения напряжения на р—i—n-диодах и тири-
сторах в открытом состоянии. Напряжение обратно пропор-
ционально эффективному времени жизни и прямо пропорцио-
нально квадрату ширины базы прибора. Это отражает основные
тенденции, встречающиеся в реальных приборах, и объясняет
важность минимизации ширины базы тиристора при обеспечении
высокого времени жизни.
Дальнейшее понимание сущности физических процессов, вли-
яющих на напряжение тиристора в открытом состоянии, может
быть получено, если использовать понятие коэффициента ламби-
полярной диффузии
Da= п+Р
n/Dp + p/Dn '
где Dp== (kT/q)/рр— коэффициент диффузии дырок;
— (kT/q) pn — коэффициент диффузии электронов.
Поскольку при высоких уровнях инжекции п=р, то
Е) п/Dp — / Рр — b,
и выражение (2.37) принимает следующий вид:
у = 8kTbd2
qD + b)2DaT,-ff
(2.38)
(2.39)
Совершенно ясно, что напряжение Vi также уменьшается об-
ратно пропорционально амбиполярному коэффициенту диффузии.
В свою очередь, этот параметр сильно зависит от концентрации
электронов, если она превышает 1017 см-3, что обусловливается
взаимодействием между подвижными носителями или так назы-
ваемым рассеянием носителей на носителях. Зависимость между
коэффициентом амбиполярной диффузии и концентрацией элек-
тронов показана на рис. 2.23.
Эффективное время жизни также зависит от концентрации
электронов. При низких уровнях инжекции оно равно сумме вре-
мен жизни неосновных носителей, электронов и дырок [Sze,
1981] или амбиполярному времени жизни то, т. е.
тед=та=Тро + тпО- (2.40)
В условиях высокой инжекции время жизни ограничивается
оже-рекомбинационными эффектами [Nilsson, 1973]. Рекомбина-
ционный процесс заключается в том, что электрон и дырка могут
50
Рис. 2.23. Зависимость коэффициента
амбиполярной диффузии от концентра-
ции электронов (Chandi, 1977]
Рис. 2.24. Зависимость эффективного
времени жизни от концентрации элек-
тронов [Chandi, 1977]:
/ — ТА при G„ = 2,9-10—" смб/с
непосредственно рекомбинировать и при этом сообщать энергию
любому другому электрону или дырке. В этом случае эффектив-
ное время жизни задается в виде
— (2.41)
Teff Та ТА ' '
Здесь т?ч = 1/б?чц2, где GA — скорость оже-рекомбинации (для
кремния Ga «2,9-10-31 см6/с) [Nilsson, 1973]. Вышеприведенное
уравнение представлено графически на рис. 2.24. Что касается
коэффициента амбиполярной диффузии, то эффекты высокой
инжекции начинают доминировать при концентрации электронов
выше 1017 см-3. Когда плотность тока, а следовательно, и
концентрация носителей начинают увеличиваться, эффективное
время жизни резко уменьшается, и с учетом уравнения (2.39)
можно вычислить скорость падения напряжения.
В вышеприведенном упрощенном рассмотрении р—i—п-аноця
были игнорированы два фактора, которые имеют важное влияние
на падение напряжения тиристора в открытом состоянии. Речь
идет о падении напряжения на крайних областях и эффективно-
сти инжекции эмиттеров. Эти эффекты учитываются в более
сложных теориях [Hall, 1952], [Herlet, 1968] решения уравне-
ний переноса и непрерывности носителей. Была получена следую-
щая зависимость между током и напряжением, приложенным к
прибору:
I==2qniDl,d~'Fl . (2.42)
Здесь Fl — это сложная функция, зависящая от падения напря-
жения в базовой области прибора; d — половина ширины базы;
Зависимость функции FL от d/Lu для кремния приведена на
рис. 2.25, Здесь £0= (£)ито)1/2 — длина амбиполярной диффузии.
Заметим, что функция имеет максимальное значение при d/I.u =
= 1, если прямое падение напряжения в этой точке минимально.
51
1
Fl
Рис. 2.25. Зависимость функ-
ции Fl от a/La для р—i—п-
диода
В [Choo, 1970] исследовалось влия-
ние времени жизни (или La) на па-
дение напряжения диода, включая эф-
фекты рекомбинации в крайних об-
ластях.
На практике прямое напряжение
снижается с увеличением времени
жизни носителей до тех пор, пока
d/La~\. При высоком времени жиз-
ни напряжение снижается очень мед-
ленно или даже остается постоянным.
Это можно объяснить, если допу-
стить отсутствие рекомбинации в край-
них областях. Увеличение напряже-
ния, обусловленное носителями, за-
полняющими крайние области, ком-
пенсирует уменьшение падения напря-
жения в базе при увеличении времени жизни. Однако при реком-
бинации в крайних областях эти носители подавляются и напря-
жение монотонно уменьшается с увеличением времени жизни.
Расчеты доказали, что дальнейшее увеличение времени жизни
незначительно влияет на падение напряжения.
2.4.2. Модели тиристора в открытом состоянии
Рассмотрим сначала аналитическую модель, предложенную в
[Otsuka, 1967], с учетом ряда упрощающих и аппроксимирую-
щих допущений для того, чтобы определить падение напряжения
в прямом проводящем состоянии тиристора. Структура тиристо-
ра показана на рис. 2.26.
Диффузионные длины неосновных носителей заряда в облас-
тях N2, Р2 -и Р1 всегда превышают ширину этих областей, но
для базы NJ справедливо обратное утверждение. Концентрации
примеси в областях РО и N2 одинаковы, а кроме того, WN2 = Wpa.
Концентрация в области Р1 равна концентрации в области Р2.
Катод
1Л/р2 W/yj Wpy VJpo
< Л/2 Р2 N1 Р1 РО >
Vp2 VpQ
VN1
Анод
VNZ Vpz
VJ1 kro
Рис. 2.26. Моделируемая структура тиристора в открытом состоянии
52
инжекции тока.
Во всех случаях предполагается однородное распределение ле-
гирующих примесей при более высоких уровнях легирования,
чем концентрация собственных носителей. Основываясь на этих
предположениях и используя одномерное приближение, были
получены следующие выражения, для падения напряжения в
открытом состоянии при различных уровнях
1. Низкий уровень инжекции:
^wN2nk2 ’
Vr=^ln (-Wp2Pp?- J ).
q V qDnnf ' I
(2.43)
2. Средний уровень инжекции:
1 qDPbPn
WP2 ;
I ~ llnWp2Pp2
^Wn2Nn2 ’
(2.44)
Здесь второе выражение представляет собой падение
ния на модулированной базовой области N1.
3. Высокий уровень инжекции:
напряже-
w„2 ’
/ WN2 ^N2 r\ I
\2qDatif
sin/г (Wr/La)_______jl/2
|cos /1(и7г/2)-1|(29^2Л/те)'/2
И=-
2цтУ2
(2.45)
В этом случае La, р и т — соответственно амбиполярные диф-
фузионная длина, подвижность и время жизни носителей; Nni,
PPi и т. д. — концентрации легирующих примесей различных
слоев. Дополнительно к вышеприведенным напряжениям необ-
ходимо добавить падение напряжения на омических контактах и
учесть другие резистивные эффекты.
В качестве примера предполагаются типичные уровни кон-
центрации носителей для вышеупомянутых уровней инжекции
с 7VWl=3,10В * * * * 13 * * см-3, Рп= 1,1016 см-3, WzjP2 = 80 мкм, тр = 3 мкс,
W/a/2==40 мкм. Низкий уровень инжекции достигается при плот-
53
ности тока 7,8-10“3 А/см2, средний — при 7 А/см2 и высокий —
при 2-103 А/см2. Следовательно, с практической точки зрения
целесообразно рассматривать действие тиристора при высоком
уровне инжекции.
Анализ показал, что напряжение тиристора в открытом сос-
тоянии очень сильно зависит от ширины базы (уравнение 2.45)
и обратно пропорционально корню квадратному из времени жиз-
ни.
Один из первичных точных численных анализов тиристора в
открытом состоянии был представлен в [Cornu, Lietz, 1972], хотя
значительно раньше в [Kokosa, 1967] приводилась модель, в
которой для упрощения предполагались постоянными подвиж-
ность и время жизни, а также однородные резкие переходы
В модели [Cornu, Lietz, 1972] не делалось этих частных предпо-
ложений* но допускалось, что время жизни, подвижность и кон-
центрации примеси изменялись как в реальных тиристорах с
двумя ограничениями.
Предполагалось, во-первых, что температура была постоянна
во всей структуре прибора и использовалась статистика Больц-
мана, приводящая к некоторым ошибкам при высоком уровне
инжекциц. Во-вторых, применялась аппроксимация при модели-
ровании областей пространственного заряда переходов и зави-
симости амбиполярной подвижности от плотности тока.
Авторы использовали эту модель для исследования влияния
различных параметров на прямое падение напряжения. Оказа-
лось, что влияние уровня легирования эмиттерных областей го-
раздо слабее, чем это предсказывалось в более ранних аналити-
ческих теориях [Herlet, 1968]. Подтвердилось также предполо-
жение о том, что значение напряжения тиристора в открытом
состоянии значительно меньше обусловливается зависимостью
подвижности от плотности заряда. Изменение профиля легиро-
вания в эмиттерных областях мало или почти не оказывает
влияния на падение напряжения, поскольку уровень инжекции
зависит от максимальной концентрации легирующей примеси
вблизи контакта сильнее, чем от распределения концентрации
примеси.
Время жизни в эмиттерных областях сказывается также на-
много меньше, чем предполагалось в [Kurata, 1968]. Это рас-
хождение объясняется упрощенностью теории, допускающей, что
минимальная плотность носителей в базе пропорциональна
уровню инжекции в базовой области и, следовательно, времени
жизни в эмиттере. На практике зависимость подвижности от
уровня концентрации носителей ослабляется связью между уров-
нем концентрации носителей в базе и уровнем инжекции.
Таким образом, можно констатировать, что наиболее простые
аналитические теории справедливы только в тех случаях, когда,
ширина базы меньше, чем удвоенная длина диффузии носителей.
54
При более широкой базе из-за влияния подвижности на плот-
ность носителей точность расчетов, приведенных с помощью
аналитических моделей, оказывается неудовлетворительной.
Поэтому необходимо применять более точные численные методы.
Второй точный численный метод в одномерном приближении
был опубликован в [Kurata, 1976]. Как и в [Cornu, Lietz, 1972],
автор оперировал с произвольными профилями легирующей при-
меси и значениями времен жизни в реальной р — п — р — п-
структуре для решения полной системы уравнений полупровод-
никового прибора для получения информации о прямом падении
напряжения. Особое внимание в этой работе уделялось вычисле-
нию уровней тока удержания.
Ток удержания является важной характеристикой тиристора
во включенном состоянии, так как это минимальный анодный
ток, при котором прибор остается в проводящем состоянии без
приложения управляющего сигнала. Например, при использо-
вании тиристорной структуры, рассчитанной на напряжение
1200 В, оказалось, что в результате увеличения времени жизни
носителей от 0,8 до 2 мкс напряжение увеличивается только от
18 до 23% для плотности тока в интервале от 100 до 1000 А/см3.
С другой стороны, установлено, что ток удержания умень-
шается в 100 раз, когда время жизни увеличивается от 0,8 до
2 мкс. При рассмотрении случая, когда в p-базе сохраняется
высокое время жизни, согласно [Kurata, 1976] время жизни в
«-базе может уменьшаться до очень низких значений без «чрез-
мерного» увеличения тока удержания. Для быстродействующих
тиристоров необходимо уменьшение времени жизни для того,
чтобы уменьшить время выключения. Время жизни в р-базе
может быть высоким, а время жизни в и-базе понижается до
уровня, .ограниченного только максимальным значением, тре-
буемым для обеспечения заданного значения падения напряже-
ния во включенном состоянии. Причем в этом случае ток удер-
жания тиристора будет оставаться на приемлемом уровне.
Наконец, последняя модель, которую мы рассмотрим, пред-
ложена в [Adler, 1978]. С ее помощью рассчитываются эффек-
ты от повышения температуры в результате теплового действия
протекающего в приборе тока, которые на практике являются
ограничивающим фактором для работы мощного тиристора. Для
этого используется механизм рассеяния носителей на носителях,
оже-рекомбинация и рекомбинация Шокли — Рида — Холла
(SRH), эффект сужения запрещенной зоны, зависимости подвиж-
ности от электрического поля, а также предположение о том, что
время жизни неосновных носителей заряда обратно пропорцио-
нально корню квадратному из концентрации примеси.
Теория основывается на предположении о стационарных
условиях. Безусловно, это накладывает определенные ограниче-
ния, так как на практике условия работы тиристора в открытом
55
Рис. 2.27. Вольт-амперные характеристики
тиристора (2500 В) в открытом состоянии с
учетом включения различных физических ме-
ханизмов в расчетную модель:
/ — ширина запрещенной зоны оже-рассеяния и
рассеяние носителей на носителях, 2 — оже-рас-
сеяние и рассеяние носителей на носителях; 3 —
рассеяние носителей на носителях; 4 — оже-ре-
комбииация; 5 — постоянная температура; 6 —
номинальный случай — тепловая проводимость
50 Вт/(см2-К)
состоянии изменяются во времени. Однако в [Adler, 1978] это
ограничение преодолено за счет использования в расчетах тепло-
отвода с высокой теплопроводностью [50 Вт/(см2-К)]. Кривая
напряжения, полученная на стационарной модели, хорошо согла-
суется со значениями напряжения, измеренными на реальных
приборах, если использовать четвертьпериодные синусоидальные
импульсы частотой 60 Гц.
На рис. 2.27 показано семейство вольт-амперных кривых для
тиристора на напряжение 2500 В, воспроизведенных по результа-
там [Adler, 1978]. Кривая 6 на рис. 2.27 рассчитана с учетом
нескольких физических механизмрв рассеяния, а кривая 5 явля-
ется результатом расчета без учета отвода тепла. Очевидно, что
действие отвода тепла начинает сказываться лишь при плотности
тока выше 300 А/см2. Остальные характеристики получены без
учета физических механизмов рассеяния. Оба механизма (рас-
сеяние носителей на носителях и Оже-рекомбинация) необходи-
мо иметь в виду, особенно при ударных прямых токах
(1000 А/см2). С другой стороны, было установлено, что влияние
сужения запрещенной зоны не заметно до тех пор, пока сказы-
вается влияние обоих этих эффектов.
В [Adler, 1978] также показано важное влияние рекомбина-
ции носителей на рассеиваемую мощность тиристора. Оказа-
лось, что при плотности тока приблизительно 100 А/см2 рассеи-
ваемая мощность обусловлена главным образом рекомбинацией
в объеме. Однако при ударных прямых токах (1000 А/см2)
эффект омического нагревания выступает на первый план вместе-
с вкладом от поверхностной рекомбинации на р+-аноде. В ре-
56
зультате для рассматриваемого случая 66% всей мощности рас-
сеивается на анодной половине прибора.
2.5. Выключение
Тиристор в открытом состоянии содержит избыток носителей
в базовых областях, причем количество этих носителей увеличи-
вается с ростом плотности прямого тока. Для выключения тирис-
тора необходимо удалить избыточные носители или накопленный
заряд, чтобы прибор мог вернуться в непроводящее состояние.
Этот процесс осуществляется или путем прерывания тока, или в
результате принудительной коммутации тока.
В первом случае тиристор выключается следующим образом.
Анодный ток прибора уменьшается ниже уровня тока удержания
за счет наличия параллельно включенного выключателя или уве-
личения активной нагрузки. В этом случае накопленный в тирис-
торе заряд «удаляется» путем рекомбинации носителей.
Во втором случае процесс выключения состоит в том, что
анодный ток заставляют протекать в противоположном направле-
нии путем приложения обратного напряжения к тиристору. Это
может происходить при естественной коммутации, которая осу-
ществляется через каждую половину периода в цепи перемен-
ного тока или в результате принудительной коммутации, когда
отдельная коммутирующая цепь с напряжением обратной поляр-
ности подключается между анодом и катодом тиристора. При
этом часть накопленного избыточного заряда «удаляется» благо-
даря приложению обратного напряжения, которое помогает уско-
рять процесс выключения. Принудительная коммутация тока
находит широкое распространение для тиристоров и позволяет
достаточно наглядно проанализировать физические процессы при
их выключении. Типичные формы сигналов тока и напряжения
показаны на рис. 1.5.
В проводящем состоянии все три перехода тиристора смеще-
ны в прямом направлении. В процессе выключения первый пере-
ход восстанавливается, имеется в виду восстановление блоки-
рующей способности перехода 13. Это происходит потому, что
время жизни неосновных носителей заряда в p-базе меньше, чем
в гс-базе, и шунты катодного эмиттера способствуют извлечению
заряда. При протекании обратного тока происходит извлечение
заряда из тиристора до тех пор, пока концентрация носителей
вблизи анода перехода Л не понизится и не станет достаточной
для его восстановления. Потенциал на приборе меняет поляр-
ность, если на переходе 11 поддерживается наибольшее обратное
напряжение.
Если как переход 11, так и переход 13 смещены в обратном
направлении, то тиристор ведет себя как р — п — р-транзистор
с плавающей базой, а спад носителей зависит главным образом
от их рекомбинации в области гс-базы.
57
Если прямое напряжение будет снова приложено к переходу
до того, как спадет весь заряд, то появится всплеск тока. Зна-
чение этого тока определяется не только количеством остаточно-
го заряда, но также и скоростью нарастания dv/dt вновь при-
ложенного напряжения, что аналогично индуцируемому току
смещения за время нарастания напряжения в тиристоре. При
достаточно большом токе тиристор переключится в состояние
проводимости и его полное выключение или, более точно, прямое
восстановление не будет достигнуто.
Анализу процесса выключения тиристора посвящены работы
[Baker, Goldey, Ross, 1959], [Davies, Petruzella, 1967] и [Sund-
resh, 1967]. К сожалению, они не нашли практического примене-
ния при проектировании тиристора, так как не учитывают влия-
ния индукции цепи на вольт-амперные характеристики прибора
при выключении. В частности, индуктивность препятствует быст-
рой смене тока во время коммутации и увеличивает напряжение
на приборе, обусловленное эффектом L (di/dt).
Процессы выключения с помощью принудительной коммута-
ции тока, включая индуктивную нагрузку, изучались в [Assalit,
1981]. Если предположить, что до выключения прибор находился
во включенном стационарном состоянии, то накопленный заряд
Qf = A0Tp/f, где Ао^сспрн- (2.46)
Заметим, что заряд QF зависит не только от прямого тока
If, но также и от времени жизни неосновных носителей заряда
тр и коэффициента передачи п — р — «-транзистора. Приклады-
ваемое напряжение затем изменяется на обратное, но при индук-
тивной нагрузке не может произойти мгновенного изменения
тока на обратный. Согласно рис. 1.5 ток уменьшается со ско-
ростью di/dt до нуля за некоторое время которое определяет-
ся как время начала выключения прибора. Параметр di/dt зави-
сит от приложенного обратного напряжения и индуктивности
цепи. В момент равенства тока нулю накопленный заряд [Assalit,
1981]
Q/o = QfTL(l-exp(-=^)). (2.47)
При высокой скорости уменьшения тока и небольших индук-
тивных нагрузках то<тр, а следовательно, —Q/-. При боль-
ших индуктивных нагрузках, когда скорость уменьшения тока
di/dt незначительна, тр<Сто, а накопленный заряд
Ч)
(2.48)
Таким образом, при невысокой скорости di/dt накопленный
заряд в момент равенства тока нулю не зависит от значения на-
58 .
чального прямого тока, в то время как при высокой скорости
di/dt он зависит только от прямого тока. За время to и tt в при-
боре протекает обратный ток и анодный переход восстанавли-
вается, а накопленный заряд уменьшается до значения Q,r. Сле-
дует подчеркнуть, что Qrr=#=QM, т. е. суммарному заряду обрат-
ного восстановления тиристора, который протекает в цепи, так
как в течение времени восстановления заряд непрерывно ин-
жектируется в базу.
Следовательно, в момент времени t\ уровень накопленного
заряда
Q/i = Q(o-Qrr, (2.49)
где Qrr — некоторая часть заряда обратного восстановления ти-
ристора Qrk. Параметр Qti очень сильно зависит от приложенно-
го обратного смещения, поскольку для высоких уровней смеще-
ния заряд обратного восстановления тиристора будет «вытяги-
ваться» быстрее и Qrr составит большую часть QRR.
Когда анодный переход полностью восстановится, ’ остаточ-
ный заряд обусловливается преимущественно рекомбинацией.
Следовательно, период времени от 6 до tz определяется только
временем жизни неосновных носителей заряда тр в гс-базе и не
зависит от влияния внешней цепи. Остаточный заряд можно при-
ближенно представить экспоненциальным выражением в виде
Q(0=Qoexp(^l). (2.50)
Процесс выключения считается законченным, когда оставше-
гося накопленного заряда Qo;/ уже не достаточно для того, чтобы
открыть тиристор, если к нему снова приложить прямое напря-
жение. Поэтому
/,-Zl=Tplnf^-\ (2.51)
Полученное выражение может быть использовано для прибли-
женного определения времени выключения тиристора. Предпо-
ложим, что — остаточный заряд, обусловленный протека-
нием достаточно малого тока /о//-, который необходим, чтобы под-
держать проводимость, и Qn~Qf, что справедливо при /о<Стр и
Qrr<CQ/o- Тогда время выключения
/9=тР1п(М (2.52)
Заметим, что ток /од примерно равен току удержания тиристо-
ра. Например, если ток удержания тиристора составляет 0,5—
1 А/см2, а плотность прямого тока равна 100—500 А/см2, то
время выключения tq= (4,64-6,9) тр. Это время мало зависит от
59
изменения значений прямого тока и тока удержания, чего
нельзя сказать применительно к времени жизни неосновных носи-
телей заряда тр.
Анализ процесса выключения тиристора проводился также с
помощью моделей, описанных, например, в [Fukui, Naito, Tera-
sawa, 1980] и [Lietz, 1967]. В первой модели учитываются влия-
ние шунтирования катодного эмиттера и эффект повторного при-
ложения dv/dt. В [Fukui, Naito, Terasawa, 1980] дается точное
решение аппроксимации в одномерном приближении с учетом за-
висимости подвижности от температуры, концентрации примеси
и плотности носителей.
Влияние шунтирования катодного эмиттера необходимо иметь
в виду на двух следующих этапах процесса выключения. Во-
первых, после падения тока ниже нуля переход J3 прибора без
шунтирования катодного эмиттера восстанавливается и начинает
блокировать протекание тока, что, в свою очередь, препятствует
экстракции электронов из катода. В шунтированном приборе
больший электронный ток будет протекать через переход J3,
поскольку транзистор N2P2N1 продолжает проводить ток, обус-
ловленный инжекцией дырочного тока в базу через шунты. Это
явление ускоряет рассасывание накопленного заряда. Во-вторых,
в течение повторного приложения прямого напряжения dv/dt
шунты эмиттера способствуют эффективному снижению инжекции
гс-эмиттера. Появляется дырочный ток, обусловленный как накоп-
ленным зарядом, так и емкостным током смещения, который уда-
ляется из p-базы без включения тиристора (см. § 3.4.).
В [Fukui, Naito, Terasawa, 1980] была определена концентра-
ция электронов и дырок в приборе в процессе выключения и по-
казано, что они быстро рассасываются вне и по краям базовых
областей и медленно рассасываются в центре базовой области.
Аналогичный эффект был обнаружен в [Temple, Holroyd, 1983],
где подчеркнуто влияние времени жизни носителей в широкой
базовой области. В этой работе показано, как надлежащее раз-
мещение узкой области с низким временем жизни перпендикуляр-
но силовым линиям тока в центре гс-базы способствует более
быстрому рассасыванию заряда в базовой области с минималь-
ным уменьшением прямого падения напряжения в открытом сос-
тоянии. Эта техника и другие методы улучшения свойства выклю-
чения тиристора обсуждаются в п. 5.6.3.
60
Г л а в a 3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРОВ
3.1. Выбор полупроводникового материала
Отправной точкой в процессе разработки тиристоров явля-
ется, конечно, выбор исходного материала,.а именно самого полу-
проводника. В качестве материала, использующегося в настоя-
щее время для создания мощных тиристоров, служит кремний
или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легирован-
ный фосфором кремний н-типа. В некоторых случаях применя-
ется также эпитаксиальный кремний, который будет рассматри-
ваться позднее. Однако стоит изучить причины, приведшие к
такому выбору материала, и выяснить, является ли это подхо-
дящей альтернативой.
Существуют три типа полупроводниковых материалов, кото-
рые используются для производства мощных тиристоров: герма-
ний, кремний и арсенид галлия. Полупроводник должен удов-
летворять следующим основным требованиям.
1. Время жизни неосновных носителей должно быть большим
для обеспечения незначительного напряжения тиристора в от-
крытом состоянии.
2. Необходимо обеспечить достаточную глубину залегания
диффузионных переходов, чтобы они могли выдерживать высокое
блокирующее напряжение.
3. Поскольку мощный тиристор имеет большие размеры, полу-
проводниковый материал должен обладать равномерным рас-
пределением донорной примеси и совершенной кристаллической
структурой.
4. Для достижения высоких значений блокирующего напря-
жения необходимо обеспечить низкую концентрацию примеси.
5. Для уменьшения напряжения в открытом состоянии при-
бора требуется высокая подвижность носителей заряда.
6. Материал должен выдерживать высокую температуру и
иметь большую теплопроводность.
Таблица 3.1. Свойства Si, Ge и GaAs при 300 К
Характеристики Gc Si GaAs
Время жизни неосновных носителей, с 10 2.3-10 ‘ IO-"
Подвижность дрейфа, Ом2/(В-с): электронов 3900 1400 1500
дырок 1900 450 400
Теплопроводность, Вт/(см-К) 0,6 1.45 0,46
Собственная концентрация носителей, 2,4-10" 1.40- 10'" 1.79- 10е
см 1 Ширина запрещенной зоны, эВ 0,66 1.1 1 1,424
Температура плавления, ° С 937 1415 1238
61
В табл. 3.1 приведены некоторые параметры кремния, герма-
ния и арсенида галлия. Арсенид галлия обладает рядом явных
преимуществ по сравнению с другими материалами. Речь идет
о его высоких подвижности и температуре плавления, а также
большей ширине запрещенной зоны, позволяющей работать при
высокой температуре. Высокая подвижность электронов обуслав-
ливает низкое сопротивление тиристора во включенном состоя-
нии.
Главными недостатками GaAs являются, во-первых, малое
время жизни неосновных носителей, которое хотя и обеспечивает
быстрое переключение, но повышает напряжение в открытом
состоянии, и, во-вторых, высокая стоимость приборов, выпол-
ненных на его основе. Тиристоры на основе кремния, например,
значительно дешевле, а технология их изготовления гораздо
проще. Использование GaAs, вероятно, все-таки имеет опреде-
ленную перспективу, если преодолеть некоторые технологические
трудности. Однако на сегодняшний день имеется лишь несколько
сообщений о тиристорах, изготовленных на основе этого мате-
риала [Alferov е. а., 1978].
Другим полупроводником с большой подвижностью носителей
является терманий, но его применение ограничено из-за высокой
собственной концентрации носителей и малой ширины запрещен-
ной зоны. Малая ширина запрещенной зоны приводит к большой
утечке тока при повышении температуры, а собственная концен-
трация носителей ограничивает напряжение лавинного пробоя.
Низкая температура плавления не позволяет получить переходы
с большой глубиной диффузионного слоя. В германии легко фор-
мируется сплавной р — «-переход, что используется для диодов,
но неприемлемо для тиристоров.
Кремний — это полупроводник с высокой температурой плав-
ления, низкой собственной концентрацией носителей, умеренно
широкой запрещенной зоной и высоким временем жизни носите-
лей заряда. Подвижность носителей в кремнии уступает по абсо-
лютному значению как германию, так и арсениду галлия, что
приводит к большему падению напряжения во включенном со-
стоянии. Как бы то ни было, это адекватно компенсируется боль-
шим временем жизни неосновных носителей и хорошими терми-
ческими свойствами материала. Кроме перечисленных преи-
муществ кремния существует современная промышленная техно-
логия его изготовления и возможность введения фосфора мето-
дом нейтронной трансмутации (см. гл. 5).
Процесс легирования кремния с помощью нейтронной транс-
мутации ограничивается кремнием н-типа, так как в этом случае
образуется только примесь фосфора. Однако это обстоятельство
не создает никаких дополнительных проблем, поскольку боль-
шинство тиристоров большой мощности производится из кремния
н-типа. Из такого материала легче образовать глубокий диффу-
62
зионный слой p-типа, используя быстродиффундирующие при-
меси, например галлий или алюминий. Заметим также, что время
жизни неосновных носителей заряда в кремнии п-типа больше,
чем в кремнии p-типа (см. § 3.2).
Исходя из вышеизложенного в качестве материала для тирис-
торов больше всего подходит кремний. Изготовители получают
кремний методом зонной плавки с ориентациями (111) и (100).
Ориентация (100) неприменима, когда используются сплавные
контакты с эвтектическим силумином, поскольку в приборах
большой мощности может происходить неравномерное проник-
новение А1 с этих контактов в кремний.
Наконец, следует выбрать тип легирующей примеси и толщи-
ну материала. Применительно к кремнию в качестве основного
параметра предпочтительно выбирают сопротивление, а не уро-
вень концентрации примеси, так как сопротивление может быть
легко измерено.
Удельное сопротивление р, Ом-см, определяется как коэффи-
циент пропорциональности между током и напряженностью элек-
трического поля в материале из выражения
£ = р/. (3.1)
Для полупроводника сопротивление зависит от концентрации
и подвижности как электронов, так и дырок. Поэтому
Из уравнения (3.1) видно, что сопротивление обратно пропор-
ционально концентрации носителей. Однако концентрации носи-
телей и примеси не одинаковы, так как при заданной температу-
ре не все доноры и акцепторы примеси могут быть ионизированы.
Зависимость удельного сопротивления от концентрации примеси,
вычисленная для кремния, легированного фосфором [Thurber
е. а., 1981], приведена на рис. 3.1.
В § 2.2 показано, как прямое и обратное напряжения пробоя
зависят от напряжения лавинного пробоя и суммарных коэф-
фициентов передачи двух составных транзисторов апрп и арпр
[см. уравнения (2.7) и (2.16)]. Напряжение лавинного пробоя
определяется в основном концентрацией доноров в п-базе и,
следовательно, ее удельным сопротивлением. Коэффициенты
передачи транзисторов арпр и апрп в значительной степени опре-
деляются эффективной толщиной базы транзистора. Поэтому
толщина кремния и концентрация донорной примеси в п-базе
определяют напряжение пробоя транзистора.
Вопросы конструирования тиристора на заданное напряже-
ние пробоя, т. е. выбор толщины кремния и концентрации доно-
ров, подробно обсуждаются в § 3.3. Однако следует отметить,
что в основном для мощных тиристоров используется слой крем-
63
Рис. 3.1. Зависимость удельного сопротивления при 300 К от концентрации приме-
си для кремния п-типа:
а — NB= 10|г4- 1011 см-3; б — NB = 10u4- Ю16 см 3
ния толщиной от 300 до 1000 мкм с удельным сопротивлением
50—300 Ом-см.
Рассмотрим теперь время жизни неосновных носителей заря-
да в кремнии. Поскольку оно влияет на такие важные характе-
ристики прибора, как его утечки, напряжение в открытом состоя-
нии и время выключения, этот параметр также необходимо учи-
тывать при изготовлении тиристора.
3.2. Время жизни неосновных носителей заряда
Если в полупроводнике имеется избыток носителей, обуслов-
ленных, например, инжекцией или тепловой генерацией, то пред-
полагается, что при тепловом равновесии инжекция или генера-
ция носителей уравновешивается процессами рекомбинации.
Рекомбинация электронов и дырок может происходить через
переходы зона — зона, а также глубокие примесные уровни или
ловушки. Такая рекомбинация характеризуется временем жизни
неосновных носителей заряда, которое в первом приближении
определяется отношением избытка плотности заряда неосновных
носителей к скорости рекомбинации G. Например, для дырок в
кремнии н-типа время жизни неосновных носителей заряда
тр—Р/G, где р — средняя плотность инжектированных дырок.
Время жизни неосновных носителей заряда для ловушек плот-
ностью Ni с одним уровнем энергии Et в запрещенной зоне крем-
ния [Ghandi, 1977]
64
Тр = Тр0 [1 exp (4r^)] +
+ т"° [г+ЛГ+ 1 /I x
; ><ехр(ЛН'+т)]- • ™
В этом выражении Ef— уровень Ферми; Ei—(EC — Ev) /2—
собственный уровень; h^ — n/n^, где п — средняя плотность ин-
жектированных электронов; пп — равновесная плотность элект-
ронов. Собственные времена жизни соответственно дырок и
электронов
г (3-4)
тпо= о у /v • (3-5)
Grids'У I
Здесь Op, On — сечения захвата дырок и электронов уровнями
ловушек; vs—тепловая скорость носителей; — плотность ло-
вушек. Для низкого и высокого уровней инжекции уравнение
(3.3) существенно упрощается.
При условии низкого уровня инжекции в выключенном сос-
тоянии или на заключительной стадии этапа восстановления при
выключении /i0<C 1 и выражение для времени жизни принимает вид
tll — Тро [ 1 + ехР ( уу + bo X
XexPbr-
। £-Ml
“T- kT /J
(3.6)
где bo — Gp/Gn — отношение сечений захвата уровней ловушек.
Следует отметить, что время жизни при низком уровне инжек-
ции в значительной степени зависит от характеристик определя-
ющего уровня ловушки (bo, М и Et).
При высоком уровне инжекции А()^>1 и выражение для вре-
мени жизни принимает вид
'Гн/. = 'гр0 + т„0==тр0(1+Ьо). (3.7)
Ранее это время уже встречалось в тексте как амбиполярное
время жизни То при высоких уровнях инжекции. Оно является
критичным при определении напряжения на тиристоре в откры-
том состоянии.
Кроме того, важное значение имеет время жизни и в области
пространственного заряда тЛС, поскольку оно характеризует ге-
нерацию носителей в слое пространственного заряда р — «-пере-
хода и влияет на значение тока утечки в тиристоре (см. § 2.1),
65
Время жизни в пространственном заряде [Ghandi, 1977]
= т [ехр (^)+&0 ехР
(3.8)
Основной задачей при конструировании тиристора является
выбор соответствующего значения времени жизни для вычисле-
ния характеристик прибора. В случае быстродействующих ти-
ристоров требуется малое время выключения. Поэтому и время
жизни в приборе обычно регулируется путем введения известных
примесей или электронным облучением (см. § 5.6). Уровень ло-
вушки, определяющий время жизни, хорошо известен, и время
жизни можно точно вычислить, используя вышеприведенные ана-
литические выражения. Энергетические уровни и сечения захвата
для контролируемых уровней ловушек приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Энергетические уровни и поперечные сечения захвата для
контролируемых уровней ловушек
Тип дефекта * Энергетический уровень Et, эВ Сечение захвата, см2
Дырки Электроны
Золото Платина Электронное облучение £„ + 0.56 £„ + 0,42 £„ + 0,70 6,08-IO”15 2,70-10“12 8,66-Ю"16 7,21-10 17 3,20-10-14 1,62-10 16
3.3. Конструирование структуры
Типичная р — п — р — «-структура мощного тиристора, изо-
браженная на рис. 3.2, изготавливается обычно путем диффузии.
В исходный кремний «-типа проводится диффузия акцепторных
примесей, в результате которой образуется симметричная
р —г « — р-структура, а затем с одной стороны кремниевой плас-
тины проводится диффузия «-типа для формирования катодного
эмиттера.
Очевидно, что описанная процедура изготовления тиристора
очень проста и экономична, поскольку включает в себя только
два диффузионных процесса. Однако в некоторых случаях не-
обходимо несколько видоизменять эту процедуру для того, чтобы
создать асимметричные р — п — р-структуры, требующиеся_ для
специальных типов тиристоров, например асимметричных и запи-
раемых (см. гл. 4).
3.3.1. p-база (Р2)
Для обеспечения высокого напряжения пробоя силовых ти-
ристоров свыше 1000 В необходимо слои Р1 и Р2, которые фор-
мируют обратный и прямой блокирующие переходы Л и J2 соот-
66
Рис. 3.2. Структура мощного р—п—р—«-тиристора:
УЭ — управляющий электрод
ветственно, создавать путем диффузии. Их ширина WPi = WP2 +
4- U/A,2 изменяется в интервале от 30 до 140 мкм
Существуют три легирующие акцепторные примеси, которые
обычно используются для создания этих слоев: галлий, алюми-
ний и бор. Бор применяется при локальной диффузии акцепто-
ров, например, для создания охранных колец в планарных струк-
турах. К сожалению, бор является медленно диффундирующей
примесью по сравнению с галлием и алюминием. Он также соз-
дает нарушения в кристаллической решетке кремния (см. § 5.3),
в результате которых могут возникнуть большие тепловые токи
утечки.
С другой стороны, как галлий, так и алюминий являются
быстродиффундирующими элементами и не вносят структурных
нарушений в кристаллическую решетку кремния, но в отличие от
бора они не могут использоваться для создания рисунка пб'фото-
шаблону с применением двуокиси кремния в качестве маскирую-
щего средства.
Распределение легирующих примесей в слоях, полученных
диффузией, может быть описано следующими уравнениями. Если
источник легирующей примеси является неограниченным, то рас-
пределение характеризуется функцией ошибок
JV(X, /)=jVoerfc(^)-^, (3.9)
а если источник диффузии является ограниченным, то оно опи-
сывается функцией Гаусса
2V(x, /) = Л/()ехр — Wc. (3.10)
67
Рис. 3.3. Коэффициенты диффузии для
часто встречающихся примесей в крем-
нии
.Рис. 3.4. Дополнительная функция
ошибок и функция Гаусса
Здесь Л/(х, f) — концентрация примеси в некоторой точке х для
времени диффузии /; Л/() — поверхностная концентрация примеси;
D — коэффициент диффузии; 1VB — концентрация примеси в
исходном материале. Способы получения таких диффузионных
слоев рассматриваются в § 5.3. .
Значения коэффициентов диффузии .примесей, используемых
в производстве высоковольтных силовых тиристоров, приведены
на рис. 3.3. С их учетом рассчитываются распределения примесей
при диффузионных процессах. Применяются также и компьютер-
ные методы расчета. На рис. 3.4 показаны функция Гаусса и
функция ошибок.
Одним из наиболее критичных параметров при проектирова-
нии тиристора является поперечное сопротивление p-базы. Оно
влияет как на ток управления, так и на стойкость тиристора к
эффекту dv/dt.
Поперечное сопротивление р-базы
__ усредненное удельное сопротивление р-базы (3 11)
ширина p-базы ‘ *
Усредненное удельное сопротивление p-базы лучше всего рас-
считывать используя численное интегрирование удельного со-
68
противления между переходами J3 и J2. Как альтернативу можно
использовать кривые Ирвина [Irvin, 1962], которые дают при-
ближенное значение поперечного сопротивления.
Концентрация легирующей примеси в p-базе и ширина р-базы
определяют эффективность инжекции п-эмиттера (см. п. "3.3.3).
Поскольку высокий коэффициент инжекции иметь предпочтитель-
нее, для того, чтобы добиться минимального напряжения в ти-
ристоре в открытом состоянии, любые поиски оптимального ре-
шения заключаются в обеспечении минимума концентрации ле-
гирующей примеси в р-базе.
Ограничение накладывается также на ширину p-базы, от зна-
чения которой зависит напряжение пробоя тиристора. В закры-
том состоянии слой пространственного заряда распространяется
на обе стороны перехода J2. Если при расширении слой прост-
ранственного заряда в слое Р2 достигает эмиттерного перехода
J3, то происходит преждевременный пробой.
На практике переход J3 имеет катодные эмиттерные шунты,
ограничивающие значение коэффициента передачи апрп транзис-
тора в схеме с общей базой. В этом случае толщина слоя про-
странственного заряда в p-базе, при котором происходит пробой,
приблизительно равна самой ширине р-базы.
Для диффузионного перехода ширина слоя пространственно-
го заряда может быть рассчитана из численного решения одно-
мерного уравнения Пуассона для диффузионного распределения
примеси:
0-12)
где V — потенциал; р(х) — концентрация заряда в слое простран-
ственного заряда; е., — диэлектрическая проницаемость кремния.
Примеры характеристик слоя пространственного заряда для
р—«-перехода, полученного в результате диффузии одной приме-
си, даны в [Beadle, Tsai, Plummer, 1985], а для диффузМшШух
примесей с концентрационными профилями, описываемыми функ-
цией ошибок,— в [Bakowski, Lundstrom, 1973]. Результаты этих
публикаций воспроизведены на рис. 3.5 и 3.6. Для типичных
силовых тиристоров, изготовленных по диффузионной техноло-
гии, слой пространственного заряда в p-базе может составлять
10—20% общей ширины слоя пространственного заряда, а ис-
пользование двойной диффузии галлия и алюминия, как описано
в [Bakowski, Lundstrom, 1973], является одним из способов
ограничения распространения пространственного заряда в р-базе
.(рис. 3.7).
В результате такой двойной диффузии получается диффузион-
ный профиль алюминия с низкой концентрацией и большой глуби-
ной, что позволяет снизить электрическое поле перехода и, сле-
довательно, повысить напряжение пробоя, тогда как более мел-
69
Рис. 3.5. Зависимости отношения ширины p-слоя объемного заряда к общей
ширине области объемного заряда от общего напряжения, отнесенного к кон-
центрации примеси в n-базе (а) и суммарной ширины области объемного заряда
и емкости от V/NB (б). Кривые показаны для различной глубины х,- гауссовско-
го диффузионного перехода при 300 К для NH/Na в промежутке от 3-108 до 3-10'1
кий концентрационный профиль галлия препятствует распростра-
нению слоя пространственного заряда к переходу J3.
В настоящее время невозможно сформулировать точное
уравнение распределения примеси в p-базе. С учетом факторов,
70
*p/w
'0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1O~1S 10~n 10~13 , „ 10~12 10~11
V/N6, B/см3
Рис. 3.6. Отношение толщины слоя объемного заряда на р-стороне для двойного
диффузионного перехода к суммарной ширине слоя объемного заряда (а) и сум-
марная ширина области пространственного заряда как функция отношения на-
пряжения к N,, (б) для хв=100 мкм и различных комбинаций (х,ь х;2)- Кривые
показаны для Л/о, = 10211 см-3, /VB = 6-1013 см-3, М>2 = 2-10'3 см-3 и Д/02= 10'2 см" 3
рассмотренных выше, а именно: поперечного сопротивления р-
базы, ограниченных возможностей выбора диффузанта и ширины
смыкания р-базы, тем не менее существует большое количество
возможных вариантов.
В предыдущей главе было показано, что ширина р-базы
71
Рис. 3.7. p-база, изготовленная мето-
дом двойной диффузии:
хр — протяженность заряда в p-базе в
прямом блокирующем режиме; 1 — фос-
фор, диффузионный эмиттер; // — высокая
концентрация, мелкая диффузия; Ш —
низкая концентрация, глубокая диффузия
Я
должна быть как можно меньше, чтобы оптимизировать, напри-
мер, время включения, скорость распространения включенного
состояния и напряжение в открытом состоянии.
3.3.2. n-база (Л/1)
е
Выбор правильного соотношения между удельным сопротив-
лением и толщиной лг-базы для тиристора основывается на
требуемых напряжениях пробоя его прямого и обратного перехо-
дов. Главное ограничение максимальных размеров толщины базы
задается исходя из напряжения прибора в открытом состоянии,
которое, как было показано в § 2.4, пропорционально корню
квадратному из толщины лг-базы.
С целью обеспечения низких потерь в тиристоре толщина
n-базы поддерживается минимально необходимой, для того что-
бы получить вполне определенное напряжение пробоя. Основное
уравнение, которое дает простое аналитическое приближение для
решения этой проблемы, уже приводилось в § 2.2, где показано,
чтб’ обратное напряжение пробоя тиристора определяется из
(2-7).
Если для аппроксимации коэффициента переноса воспользо-
ваться уравнением (2.8) и считать коэффициент инжекции пере-
хода И равным единице, то максимальное обратное напряжение
тиристора
VR= VB[1 -sech (^=^)]’/Пв. (3,13)
Это выражение можно упростить, если принять, что W—
—xn<^Lp, тогда
Диффузионная длина носителей заряда Lp=-^Dpxp, где хр
Рис. 3.8. Зависимости напряжения
пробоя глубоких диффузионных р —
n-переходов в радиационно-легиро-
ванном кремнии от удельного со-
противления и-базы:
1— [Platzoder, Loch, 1976]; 2— [Hill,
van Iseghem, Zimmerman, 1976]
Удельное сопротивление n-Пазы ,0м-см
время жизни неосновных носителей заряда при условиях низкого
уровня инжекции. Однако чтобы получить решение, необходимо
знать точную зависимость между удельным сопротивлением
гг-базы и напряжением лавинного пробоя диффузионного
перехода.
Для переходов с диффузией одной примеси расчетные значе-
ния приведены в [Hill, van Iseghem, Zimmerman, 1976], [Kokosa,
Davies, 1966], [Shenai, Lin, 1983], а для переходов, образован-
ных диффузией двух примесей, в [Bakowski and Lundstrom,
1979].
Зависимости напряжения пробоя от удельного сопротивления
n-базы показаны на рис. 3.8. К сожалению, хотя значение удель-
ного сопротивления с некоторой точностью может быть определе-
но по графику на рис. 3.8, на практике имеем дело с теми
допусками, с которыми контролируется удельное сопротивление
при производстве кремния. Это накладывает ограничения на
проектирование тиристора, которое должно ориентироваться на
наихудшую ситуацию, когда удельное сопротивление находится
в нижнем конце допуска.
Влияние этого ограничения проверено в [Platzoder,. Loch,
1976], где показано, что при допустимом отклонении удельного
сопротивления, равном ±Ар, результирующее допустимое откло-
нение напряжений пробоя тиристора при комнатной температуре
АУв=±0,75Ув(Ар/р),
а при максимальной температуре перехода
А1/в= —0,75 VB(Ap/p).
Приведенные уравнения дают необходимую информацию о
толщине и удельном сопротивлении n-базы для требуемого об-
ратного напряжения пробоя. По рассчитанной толщине п-базы
тиристора толщина кремниевой пластины может быть определена
очень просто путем сложения всех толщин диффузионных слоев
р-типа.
Л; . 73
Однако следует подчеркнуть, что рассмотренная методика
проектирования основывается на определении значения напряже-
ния обратного пробоя без учета влияния поверхности перехода
и условия возникновения прямого пробоя. На практике обычно
учитывается, что будет достигнута лишь часть значения напря-
жения объемного пробоя, которая определяется по методике,
используемой отдельно для каждого конкретного контура по-
верхности (см. п. 2.2.4).
Для тиристора, имеющего шунты в катодном эмиттере, можно
с достаточной точностью предположить, что прямое и обратное
напряжения пробоя у него приблизительно равны, а чтобы полу-
чить более точные результаты, необходимо решить уравнение
(2.21).
При проектировании тиристора необходимо учитывать ток
утечки, так как при высокой температуре необходимо ограничить
прямой и обратный токи с целью уменьшить выделение тепла и
гарантировать стабильность работы прибора. Ток утечки трудно
предсказать с необходимой точностью, поскольку этот параметр
в значительной степени определяется локальными неоднороднос-
тями в кремнии, хотя в первом приближении для его расчета
можно использовать уравнение (2.5). Различные способы сни-
жения тока утечки прибора, такие, как предотвращение образо-
вания локальных неоднородностей и правильный контроль вре-
мени жизни, обсуждаются в гл. 5.
3.3.3. р-(Р1) и п-эмиттеры (2V2)
В открытом состоянии тиристора эмиттерные области характе-
ризуются коэффициентами инжекции эмиттеров двух составных
транзисторов и плотностью избыточных носителей в базовых
областях. Оба эмиттера обычно являются диффузионными сло-
ями: для катода легирующей примесью служит фосфор, а для
анода — галлий, алюминий или бор; р-эмиттер используется
также для блокирования обратного напряжения тиристора; р-
база и р-эмиттер формируются обычно в процессе одной диффу-
зионной операции.
Коэффициенты инжекции могут быть представлены соответ-
ственно для р- и n-эмиттера в виде [Sze, 1981]
/ NW \-i
^=(1 + 4г7^) = (з:15>
\ /
/ N W \-1
М' + ттЧ , (3.16)
4 2V 7
где NPl, Np2 и /Vw2 — средние равновесные плотности основ-
ных носителей в слоях /V/, Pl, Р2 и /V2; и WP2— ширина
74
базовых областей N1 и Р2\ LPl и — диффузионные длины
неосновных носителей заряда в эмиттерах.
При высоком уровне инжекции коэффициенты в обоих случа-
ях должны быть достаточно большими, для того чтобы обеспе-
чить максимальный избыточный заряд и, следовательно, мини-
мальное сопротивление базовых областей тиристора в открытом
состоянии. Это реализуется при больших диффузионных длинах
и малой величине отношений NNl/NPi и Nn/NN2. С хорошим
приближением концентрации основных носителей и равновесных
условиях принимаются равными средним уровням легирующей
примеси в соответствующих областях тиристора. Для высокой
эффективности эмиттера концентрация легирующей примеси в
эмиттерном слое должна быть высокой, а в базе — низкой.
Если, например, предполагается, что коэффициент инжекции
должен быть равен 0,99, то задаются следующими условиями
расчета:
(4г1) <0,01 и <0,01 . (3.17)
\WNlJ \NmJ ’ \1ГД2/
Однако для р-эмиттера диффузия часто проводится при низ-
ких концентрациях легирующей примеси. В этом случае получа-
ется мелкий концентрационный профиль, требуемый для р-базы,
и обеспечивается высокое напряжение пробоя. Естественно, что
при такой диффузии не удовлетворяются вышеупомянутые усло-
вия. Проблема может быть решена за счет создания вблизи
поверхности слоя РО с высокой концентрацией примеси (рис.
3.2).
В мощных тиристорах для этой цели используется слой,
который образуется в процессе сплавления и дает поверхностную
концентрацию в пределах от 5-1018 до 1019 см-3. В качестве
альтернативного решения может быть использована диффузия
бора.
Несмотря на то что при высоком уровне инжекции требуется
большой коэффициент инжекции для достижения минимального
напряжения тиристора в открытом состоянии, при низком уровне
инжекции коэффициент передачи тока, а следовательно, и коэф-
фициент инжекции должны быть небольшими для того, чтобы
обеспечить низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя.
Это условие выполняется при использовании эмиттерных шунтов.
3.4. Эмиттерные шунты
Шунты предназначаются для закорачивания эмиттерного пе-
рехода тиристора. Катодные эмиттерные шунты применяются для
улучшения прямого напряжения пробоя и стойкости прибора к
эффекту dv/dt. В этом параграфе описывается конструирование
этих шунтов с одновременным качественным описанием анодных
75
Квадрат
Рис. 3.9. Расположение шунтов катодного эмиттера
шунтов. При любом расчете эмиттерных шунтов, проводимом с
учетом эффекта dv/dt, необходимо принимать во внимание, что
этот эффект вызывает емкостной ток смещения, определяемый
как Cd (dv/dt). Емкость С, являющаяся емкостью слоя простран-
ственного заряда перехода J2, сильно зависит от приложенного
напряжения. Для расчета эмиттерных шунтов используются
аналитические уравнения, приведенные ниже, в которых емкость
представляется некоторой средней величиной, равной двойной
емкости при максимальном повторно приложенном напряжении.
Это допущение справедливо при конструировании тиристора
[Gerlach, 1977].
г
3.4.1. Распределенные катодные эмиттерные шунты
Катодные шунты обычно имеют круглую форму и располага-
ются по площади эмиттера в виде регулярной системы с квадрат-
ным или треугольным расположением, как показано на рис. 3.9.
Наличие эмиттерных шунтов приводит к потере общей площади
эмиттера, а следовательно, и нагрузочного тока. Таким образом,
доля шунта, приходящаяся на зашунтированную площадь,
является весьма важным конструктивным параметром и опреде-
ляется по следующим формулам:
при квадратном расположении шунтов
. ____л ( ds \2
А~~ ~b\DJ
(3.18)
. 76
Ms/z ds ^ds/z
Рис. 3.10. Уменьшение проводящей области благодаря эмиттерным шунтам диа-
метром cL
а при треугольном расположении шунтов
(3.19)
's
Fa =
2д/3
где ds — диаметр шунта; Ds — расстояние между шунтами.
На практике, однако, наличие эмиттерных шунтов может вы-
звать более существенное уменьшение проводящей области FA,
чем это следует из уравнения. Причина уменьшения эффективной
площади структуры проиллюстрирована на рис. 3.10. В области
Ads/2, окружающей каждый шунт, когда тиристор находится
в открытом состоянии, вдоль р-базы течет боковой ток, вызы-
вающий падение напряжения AV в p-базе, эквивалентное пря-
мому смещению эмиттерного перехода J3. Переход J3 подобно
любому диоду интенсивно не инжектирует электроны до тех пор,
пока его прямое напряжение AV не достигает приблизительно
0,6 В. Поэтому вышеуказанная область эмиттера Kds/% не явля-
ется проводящей.
Для того чтобы рассчитать точные размеры зашунтированных
областей и их геометрию, обратимся к [Munoz-Yague, Letureq,
1976]. Каждая область характеризуется сопротивлением
Rcell= £. >
J(z)As
где VE — максимальное напряжение на эмиттерном переходе до
начала интенсивной инжекции и перехода тиристора в открытое
состояние; / (г) —плотность инжектируемого тока, который мо-
жет быть током утечки или емкостным током смещения С/Х
X (dv/dt), обусловленным емкостью слоя пространственного
заряда перехода /2; Л5 — площадь ячейки, определяемой рас-
положением шунтов.
При треугольном расположении шунтов
Л=
(3.20)
(3.21)
77
Рис. 3.11. Зависимость отношения
сопротивления зашунтированной обла-
сти к поперечному сопротивлению
p-базы от площади зашунтированной
области Рл для треугольного (/) и
квадратного расположения (2) шунтов
при квадратном расположении шунтов
AS = D2.
(3.22)
В [Munoz-Yague, Letureq, 1976] рассчитана зависимость отно-
шения сопротивления Rcett к поперечному сопротивлению р-базы
ps от площади зашунтированной области FA (рис. 3.11).
Процедура проектирования зашунтированной области начи-
нается с определения относительных затрат площади на реализа-
цию шунтов. Это позволяет определить отношение R^n/<h из
рис. 3.11 и по известному ps вычислить Rceu. С помощью сопротив-
ления R^u из уравнений (3.20) — (3.22) можно найти размер шунта
ds и расстояние Ds. Исследуя различные способы шунтирования,
авторы сделали следующие выводы.
1. Диаметр шунта при треугольном расположении гораздо
больше, чем при квадратном расположении, что позволяет легче
реализовать данную форму.
2. При треугольном расположении шунты находятся на боль-
шем расстоянии друг от друга, что также способствует уменьше-
нию влияния шунтирования на скорость распространения прово-
дящей плазмы (см. п.2.3.3). В [Raderecht, 1971] показано, что
напряжение на эмиттере
Ve = J(z)^Rs, (3.23)
где
Д, = _^[й+й(21п^-^1)].
(3.24)
Однако вышеуказанное уравнение позволяет определить толь-
ко приближенное значение Rs, см2, без учета различия между тре-
угольным и квадратным расположениями шунтов. В [Crees,
1975] приведены более точные выражения соответственно'для
квадратного
Rs = -i^U2+ 1,27Г>2 [2 In -0,761} (3.25)
loi l 4 а, 7 -*•’
и для треугольного расположения шунтов
78
= Й+2Ж[1п (£i)—0,45]}. (3.26)
16 1 L \ds /
Для конструирования прибора с повышенной стойкостью к эф-
фекту dv/dt в качестве начального приближения значения тока
/(z) можно взять значение емкостного тока смещения или пря-
мого тока утечки, если требуется точное предельное значение пря-
мого тока переключения.
В период восстановления прямой блокирующей способности
тиристора при его выключении шунтирование катодного эмиттера
также играет важную роль (см. § 2.5). Вышеприведенные урав-
нения можно использовать для оценки влияния катодных шунтов
на восстановление прямой блокирующей способности. Если в пе-
риод выключения к тиристору повторно прикладывается прямое
напряжение со скоростью нарастания dv/dt, то через прибор будет
вытекать ток
l(z)=Idis + lq. (3.27)
Первый член в правой части уравнения Idis = Cdсоответ-
dt
ствует нормальным условиям емкостного тока смещения, а вто-
рой член Iq — это ток, обусловленный накопленным зарядом,
оставшимся в базовых областях тиристора. Для того чтобы предо-
твратить включение тиристора в этих условиях, значение сопро-
тивления Rs в уравнении (3.23) необходимо выбрать гораздо мень-
шим, чем в том случае, когда определяется только ток смещения.
Это уменьшение сопротивления Rs достигается за счет повышения
плотности шунтирования катодного эмиттера.
Рассчитать с помощью аналитических методов значение lq до-
вольно сложно, поэтому воспользуемся методом аппроксимации.
Предполагая, что тиристор в режиме восстановления подобен
диоду, а ток восстановления определяется избытком заряда в
n-базе, получаем
/(O=/fexp(-^-), (3.28)
где lF — прямой ток перед выключением тиристора; тр — время
жизни неосновных носителей заряда в п-базе.
В этом случае (после времени задержки /</)
(3.29)
где А — площадь катода, включающая накопленный заряд. При
повторном приложении прямого напряжения ток восстановления
мгновенно меняет знак.
Уравнения (3.23), (3.27) и (3.29) затем могут быть использо-
ваны для расчета Rs, а следовательно, и площади катодного эмит-
терного шунта.
79
3.4.2. Периферийное шунтирование катодного эмиттера
На периферии тиристора следует производить шунтирование
эмиттера по всему периметру прибора (рис. 3.12). Такое шунти-
рование необходимо потому, что в области Аг тиристор имеет зна-
чительную площадь прямого и обратного блокирующих перехо-
дов, причем токи утечки и смещения от этих переходов должны
быть отведены к катодному контакту, чтобы предотвратить сме-
щение катодного эмиттера в прямом направлении. В противном
случае это может привести к переключению тиристора. Проектиро-
вание периферийных шунтов не является сложной проблемой,
поскольку шунты расположены по периметру прибора и имеют хо-
роший контакт к металлизации катода.
3.4.3. Распределенные анодные шунты
$
В некоторых типах тиристоров в дополнение (или иногда вме-
сто) катодных шунтов используются распределенные шунты в
анодном эмиттере. Это особенно характерно для тиристора с об-
ратной проводимостью, асимметричного тиристора и некоторых
видов запираемых тиристоров, так как ни один из этих приборов
не обладает обратной блокирующей способностью. Специальные
исполнения этих типов тиристоров рассматриваются в гл. 4.
Схематичное изображение тиристора с анодными шунтами
приведено на рис. 3.13. Анодные и катодные шунты не распола-
гаются один напротив другого. Такое их расположение препятст-
вует образованию паразитного диода между анодом и катодом,
ток которого мог бы заполнять базу носителями, когда диод
смещен в прямом направлении, и, таким образом, создавал бы
проблемы при выключении тиристора.
Даже если шунты анода и катода расположены правильно,
все равно возникают трудности, связанные с низким сопротив-
лением антипараллельного диода, расположенного рядом с ти-
ристором и уменьшающим прямой ток через диодный участок.
В связи с этим анодные шунты чаще всего применяются в
тиристорах с обратной проводимостью, которые содержат интег-
Рис. 3.12. Периферийное шунтирование
катодного эмиттера
Рис. 3.13. Тиристор с распределенными
анодными шунтами
80
рально встроенный антипараллельный диод, или в запираемых ти-
ристорах без катодных шунтов.
При проектировании анодных шунтов используются те же са-
мые правила конструирования, которые были описаны выше для
катодных шунтов, но с учетом сопротивления п-, а не р-базы.
Поскольку сопротивление /г-базы обычно много больше, чем
p-базы, анодные шунты необходимо располагать более плотно,
чем катодные, по периметру прибора, если они используются толь-
ко для контроля стойкости к эффекту dv/dt и тока утечки.
Важным преимуществом как анодных, так и катодных шунтов
является то, что коэффициенты передачи тока близки к нулю при
малых значениях тока. Поэтому прямое напряжение пробоя при-
ближается к значению этого напряжения у диода при обратном
смещении [см. уравнение (2.16)], а также вызывает низкие зна-
чения тока утечки [см. уравнение (2.5)]. Следовательно, тиристо-
ры с анодными шунтами обладают высокими прямыми напряже-
ниями пробоя и высокой рабочей температурой, обусловленной
низкими уровнями тока утечки.
Однако основная причина использования анодных шунтов за-
ключается в обеспечении малых времен выключения прибора.
Уменьшение времени выключения за счет применения анодных
шунтов является следствием извлечения заряда через эти шунты.
В обычных тиристорах избыточный заряд в базовых областях
сохраняется в течение периода обратного восстановления. После
того как ток упадет ниже нуля, заряд в p-базе удаляется через
шунты катодного эмиттера. Даже после восстановления эмиттер-
ного перехода катодные шунты позволяют дырочному току по-
ступать в p-базу без включения тиристора.
Действие шунтов анодного эмиттера состоит в том, что они
позволяют электронному току протекать в и-базу, минуя обратно-
смещенный эмиттериый переход. Анодные шунты дают прямой
доступ к широкой «-базовой области, которая в своем объеме
содержит больший накопленный заряд, и, следовательно, более
эффективно, чем катодные шунты, помогают экстракции заряда
из тиристора.
3.5. Конструирование управляющего электрода
Схематическое изображение управляющего электрода эмит-
тера показано на рис. 3.14. При включении катод находится под
отрицательным потенциалом по отношению к аноду, а управляю-
щий электрод — под положительным потенциалом по отношению
к катоду. Это вызывает протекание дырочного тока в p-базе по
Направлению к катоду, который «собирается» катодными эмиттер-
ными шунтами.
Поперечный ток управления J/u/ вызывает падение напряже-
ния вдоль эмиттера между хЕ и xs, смещающее n-эмиттер в прямом
81
УЗ
р-Ваза
z Катод
У7^/7^7///г///77'Л
п-эмиттер
А
<Zx
Ла-t
Х=0
ХБ
ХЕ
XS
Рис. 3.14. Линейный управляющий электрод:
УЭ — управляющий электрод
направлении. Когда это прямое смещение превышает критиче-
ское значение Ve, достаточное для инжекции, происходит включе-
ние тиристора. Поперечный ток управления должен также превы-
шать ток утечки или ток смещения при воздействии эффекта
dv/dt.
Важно, что при конструировании управляющий электрод был
более чувствителен к этим видам ошибочного включения, чем
остальной эмиттер. Ошибочное включение должно происходить у
управляющего электрода, конструкция которого обеспечивает
быстрое распространение проводящей области остальной части
эмиттера.
3.5.1. Линейный управляющий электрод
В этом и последующих разделах по конструированию управ-
ляющего электрода тиристора для демонстрации основных рас-
четных соотношений представлены различные виды аналитических
выражений. Тем не менее, как и для большинства конструкций
тиристоров, более точный результат дает численный анализ, на-
пример компьютерный метод конструирования управляющего
электрода, предложенный [Silard, Marinessu, Mantduteanu,
1975]. Полученные или аналитические выражения используются
для выявления оптимальных отношений между конструкцией
структуры прибора и характеристиками управления.
На рис. 3.14 изображено поперечное сечение линейного управ-
ляющего электрода, на котором контакт управляющего элект-
рода имеет протяженность от 0 до х0, а катодный эмиттер — от
хЕ до xs. Поперечное сопротивление под областью управляющего
электрода равно рс, в то время как поперечное сопротивле'ние
р-базы под эмиттером равно ps. Общая длина эмиттера в направ-
лении, перпендикулярном плоскостй рисунка, равна L.
Предполагается, что ток управления /с течет от управляющего
электрода к зашунтированному катодному эмиттеру xs. Через эле-
мент dx р-базы протекает поперечный ток, равный току /0, который
вызывает падение напряжения
82
pjrdx
dV=
L
Таким образом, напряжение на эмиттере
г pJrAX'-------ХР)
V= j dV= — l--------— . (3.30)
XE
Если ток, требуемый для включения тиристора, соответствует
току 1(;т, при котором напряжение смещения на эмиттере достигает
значения то
и легко можно показать, что полное падение напряжения между
управляющим электродом и катодом в точке переключения
- _/с7-[р(^ — *£) + Рс(х£ — *с)1
Or —-----
(3.32)
Также просто может быть рассчитан случай однородной ин-
жекции носителей в p-базе, обусловленной током утечки или то-
ком смещения, связанным с эффектом du/dt.
Предполагается, что однородный ток течет в z-направлении
(рис. 3.14) к катодному шунту вдоль р-базы и образует поперечный
поток / (z) Lx через элемент dx. Это приводит к росту падения на-
пряжения:
dV = psJ (z) xdx.
Полное падение напряжения вдоль эмиттера
V = JdI/ = yp.,/(z) (x;-xl).
XE
Поэтому критическая плотность тока включения
Уравнение (3.33) используется для расчета б/и/б//-стойкости
подстановкой Jc(z) = Cd(dv/dt).
3.5.2. Кольцевой управляющий электрод
Поперечное сечение тиристора с кольцевым управляющим
электродом показано на рис. 3.15.
Условия переключения прибора для центрального управляю-
щего электрода определяются из выражений
83
ВУЗ
! а I
КатоВ
У//////?//////,
п-эмиттер |
Л
ZZZ////ZZ//Z;
\г-эмиттер
внуэ
р-5аза
п- Паза.
Рв
о
ГВ1 ГЕ1
Рис. 3.15. Поперечное сечение тиристора
ВУЗ — внутренний управляющий электрод;
'rE2 rG2 гр2
с кольцевым управляющим электродом:
ВНУЭ — внешний управляющий электрод
rS
2 л VE
Р* In (rs/rEl)
Vot= V-Ips ln (—) +Pg In (—)1
2л L \ rEI / \ rcl z J
и соответственно для периферийного управляющего
2 л VE
Ps In (rE2/rs)
(3.34)
(3.35)
электрода
(3.36)
V»r-^ [p.ln(—)+P»ln(—)1- <3'37»
2л L \ rs / \ гЕ2 / J
Как и в случае линейного управляющего электрода, для того
чтобы рассчитать влияние тока утечки или тока смещения, обу-
словленного эффектом dv/dt, на плотность инжектированного
тока J(z), полагают, что ток «собирается» катодными шунтами.
Критическая плотность тока
414
Л,2’ = 777^77' (3'38)
r£l)
а для периферийного управляющего электрода
2V
Jc (z) = -----------------------. (3.39)
ps [r^ In (гй/гх) - у + у
В случае периферийного управляющего электрода вводится
радиус Гр2, который характеризует полную протяженность р-базы
вплоть до периферии прибора. Чем больше этот радиус, тем
меньше критическая плотность тока Jc(z). Периферийный элек-
трод не применяется для тиристоров большой площади.
В вышеприведенном анализе, предполагалось, что катодные
эмиттерные шунты имеют вид или непрерывных линий в случае
линейного управляющего электрода, или непрерывных колец в
84
Рис. 3.16. Зависимости сопротивления управляющий электрод - ' катод от радиу-
са внутреннего края эмиттера г£1 (а) и напряжения, наведенного в области
управляющего электрода током инжекции 1(г), от радиуса внутреннего края
эмиттера гЕ1 (б):
---d,/D«=0,2;-----=0,1;---------=0,3; (кривые приведены для треуголь-
ного расположения шунтов)
случае кольцевого управляющего электрода. На практике это
неприемлемо, так как распространение включенной области будет
затруднено такой непрерывной шунтировкой.
В реальных конструкциях шунты дискретные, круглые по
форме и занимают лишь часть общей площади катодного эмит-
тера. Более точный расчет для управляющего электрода, исполь-
зуя аналогичный анализ, сделан в [Munoz-Yague, Letureq,
1976]. Полученные результаты приведены на рис. 3.16 при тре-
угольном расположении шунтов (рис. 3.17). На рис. 3.17 показа-
но, что первое кольцо шунтов примыкает к управляющему элек-
троду, представляя собой лишь часть полной конфигурации
шунтов.
В процессе проектирования сначала выбирается конфигура-
ция зашунтированных областей эмиттера-. Затем с помощью кри-
вых на рис. 3.16 определяются диаметр шунта ds и расстояния
между шунтами Ds для данного поперечного сопротивления
р-базы, т. е. рассчитывается геометрия области управляющего
электрода.
При выборе предпочтительного расположения эмиттерных
Шунтов в области управляющего электрода важно иметь неко-
торые представления о влиянии расположения шунтов на ско-
85
Рис. 3.17. Тиристор с кольцевым цент-
ральным управляющим электродом УЭ
и треугольным расположением шунтов
Рис. 3.18. Расположение шунтов, при
котором проводящая плазма распро-
страняется с минимальным сопротивле-
нием:
УЭ — управляющий электрод
рость распространения плазмы в режиме включения. В п. 2.3.3
обсуждалось явление распространения плазмы и, в частности,
констатировалось, что для максимальной скорости распростра-
нения плотность шунтирования должна быть минимальной.
Хотя в основной части эмиттера расположение шунтов огра-
ничивается требованиями как стойкости к эффекту dv/dt, так и
к выключению у края эмиттера, примыкающему к управляю-
щему электроду, допустима более низкая плотность шунтов,
поскольку ток выключения, обусловленный накопленным заря-
дом, не течет в этой области. Малая плотность шунтов способ-
ствует расширению начальной области включения и, таким обра-
зом, улучшает стойкость тиристора к эффекту di/dt.
Дальнейшее усовершенствование возможно за счет оптимиза-
ции расположения шунтов, непосредственно окружающих управ-
ляющий электрод. Расположение шунтов осуществляется таким
образом, чтобы проводящая плазма распространялась с мини-
мальным сопротивлением (рис. 3.18).
Следующие факторы, влияющие на стойкость к эффекту
di/dt тиристора при включении, были исследованы в [Danielsson,
1979]. Оказалось, что включение происходит преимущественно
по кристаллическим осям тиристора: в случае (111) ориентации
кремния существует три преимущественных направления включе-
ния, а для ориентации кремния по (100) —четыре направления.
Этот эффект был описан уравнением для подвижности электро-
нов в различных кристаллографических направлениях.
Поскольку стойкость к эффекту di/dt тиристора при вклю-
чении является одной из важнейших характеристик прибора и
ее значение должно быть по возможности максимальным, особен-
86
но для приборов, предназначенных для использования в цепях,
где главным условием является быстрая коммутация, при про-
ектировании приходится прикладывать большие усилия, чтобы
реализовать структуры тиристора с управляющим электродом,
обеспечивающим высокие значения di/dt. К ним относятся уп-
равляющий электрод с электрическим полем в эмиттере, инжек-
тирующий управляющий электрод, регенеративный управляющий
электрод, распределенный управляющий электрод. Они обсуж-
даются в следующих разделах с рекомендациями по проекти-
рованию.
3.5.3. Управляющий электрод с электрическим полем в эмиттере
Структура управляющего электрода (УЭ) с полем в эмиттере
показана на рис. 3.19. При протекании управляющего тока начи-
нается инжекпия электронов у катодного эмиттера в точке А.
Эти электроны обуславливают ток нагрузки вдоль п-эмиттера,
который представляет собой сумму поперечной IN и продольной
1Т составляющих. В результате увеличивается потенциал точки
А относительно точки В, который приводит к возникновению
тока в p-базе. Ток базы действует как дополнительный импульс
тока управления и включает эмиттер в точке В.
Таким образом, рассматриваемый управляющий электрод
использует нагрузочный ток для обеспечения высокой энергии
импульса управления. Основная трудность заключается в том,
чтобы обеспечить включение прибора в точке А раньше, чем в
точке В. Эта проблема решается за счет правильного выбора
сопротивления в п-эмиттере в области электрического поля
[Somos, Piccone, 1967].
Поскольку ток управления течет в p-базе как в точке А, так
и в точке В, то обе области в конце концов будут включены
этим током. Сопротивление в n-эмиттере должно быть неболь-
шим, т. е. большая часть нагрузочного тока протекает вдоль
эмиттера до того, как будет иметь место включение прибора в
точке В.
управляющим электродом
87
В открытом состоянии тиристора поле, индуцированное в
области А—В, дает' небольшой вклад в процесс проводимости,
обусловленный поперечным сопротивлением между точками А и
В.. В результате уменьшается эффективная площадь эмиттера и
увеличивается напряжение в открытом состоянии. Однако ис-
пользование такого вида управляющего электрода часто стано-
вится полезным, когда невозможно использовать другие способы
повышения стойкости к эффекту di/dt, особенно при малых
токах управления [Glockermer, Fullmann, 1976].
3.5.4. Инжектирующий управляющий электрод
Управляющий электрод *, расположенный на части эмиттера
[Somos, Piccone, 1976], показан на рис. 3.20. Благодаря наличию
этого электрода удается включать тиристор как положительным,
так и отрицательным током. Когда к управляющему электроду
прикладывается отрицательный потенциал, управляющий элек-
трод включает тиристор аналогично включению полем, индуци-
рованным током нагрузки. Эмиттер становится смещенным в
прямом направлении по отношению к достаточно высокому
потенциалу точки А. Нагрузочный ток течет вдоль эмиттера от
точки А* к точке В и индуцирует поперечный ток р-базы в этом
же направлении, который, в свою очередь, вызывает включение
эмиттера в точке В. Как и в случае управляющего электрода,
с электрическим полем в эмиттере, нагрузочный ток обеспечи-
вает более высокую энергию в точке В, чем это обеспечивает
сигнал управления.
Когда положительный потенциал прикладывается к управля-
ющему электроду, ток электрода течет в противоположном на-
правлении и та его часть, которая протекает в p-базе, осущест-
вляет переключение тиристора в точке В. Таким образом, в усло-
виях положительного смещения'эмиттерный управляющий элек-
трод ведет себя подобно обычному тиристору с центральным уп-
равляющим электродом и, следовательно, менее эффективен, чем
в случае отрицательного смещения, хотя и требует в 5—10 раз
большего тока управления.
3.5.5. Распределенный или разветвленный управляющий
электрод
Простой способ улучшения стойкости к эффекту di/dt тири-
стора заключается в том, чтобы расширить площадь первоначаль-
но включенных областей за счет увеличения длины управляюще-
го электрода путем использования распределенного или развет-
1 В отечественной научной литературе используется термин «Инжектирую-
щий электрод управления» — Прим, перев.
88
Рис. 3.21. Распределенный или разветвленный управляющий электрод:
а — «гребенка»; б — периферийный; в — Т-образный; г — «спицы колеса»; д — «снежин-
ка»; е — «эвольвента»
вленного электрода. Пример таких конструкций показан на
рис. 3.21. Кроме улучшения начальной стойкости di/dt удается
также улучшить время распространения включения тиристора,
так как начиная с большей первоначально включенной области
процесс включения заканчивается значительно быстрее.
Из примеров, показанных на рис. 3.21, управляющий электрод
типа «гребенка» используется для маломощных тиристоров квад-
ратной формы, особенно при работе на высокой частоте. Рас-
стояние между зубцами может быть очень маленьким, благодаря
чему обеспечивается быстрая скорость распространения плазмы
и высокая стойкость к эффекту dl/dt.
Периферийный и Т-образный управляющие электроды при-
меняются для тиристоров большого диаметра, когда эмиттер
довольно широкий и время распространения плазмы от централь-
ного управляющего электрода очень большое. Управляющий
89
электрод типа «спицы колеса» также используется для приборов
с большой площадью, но имеет преимущество по сравнению с
краевым управляющим электродом, которое состоит в том, что
его можно легко совместить с отдельным управляющим электро-
дом в центре прибора. В результате существенно упрощается
конструкция тиристора с точки зрения сборки в корпус.
Управляющие электроды типа «снежинка» и «эвольвента»
[Storm, St Clair, 1974] применяются для быстродействующих
тиристоров. Особый интерес представляет управляющий электрод
типа «эвольвента», так как использование свойств эвольвенты
позволяет достичь равноудаленности между краем эмиттера и
управляющим электродом, что очень важно, когда необходимо
обеспечить однородное распределение поперечных сопротивлений
управляющего электрода.
Управляющий электрод типа «снежинка» распространен наи-
более широко в силу целого ряда исторических причин. Боль-
шинство образцов эмиттеров производятся в настоящее вре-
мя методами компьютерного моделирования. Ранее такие спо-
собы были недостижимы, а изготовление образцов типа «эволь-
вента» без компьютерного управления затруднено. Структура
типа «снежинка» может быть спроектирована без привлечения
ЭВМ. Другое условие, которое ограничивает использование
управляющего электрода типа «эвольвента», состоит в том, что-
бы он соответствовал расположению шунтов катодного эмиттера.
Например, в случае использования требуемого расположения
шунтов управляющий электрод должен быть согласован с направ-
лениями, определяемыми тремя сторонами треугольника, как
показано на рис. 3.22. Это обеспечивает распределение однород-
ности сопротивления между управляющим электродом и шунтами
эмиттера вдоль ветвей управляющего электрода, которые спо-
собствуют однородному включению.
При конструировании разветвленных управляющих электро-
дов руководствуются следующими критериями.
1. Поперечное сопротивление между управляющим электро-
дом и эмиттером должно быть однородно вдоль границы управ-
ляющего электрода.
2. Длина управляющего электрода определяется стойкостью
к эффекту di/dt исходя из первоначальной области включения и
допустимой плотности тока. Однако она не должна быть больше,
чем это необходимо, так как в противном случае потребуются
чрезмерно большие токи управляющего электрода для достиже-
ния однородного включения.
3. Следует учитывать эффект dv/dt и включение за счет
тока утечки. Ширина ветвей управляющего электрода должна
быть минимальной, чтобы ограничить область прибора, генери-
рующую эти токи.
4. Ширина ветвей управляющего электрода должна позволять
90
оооооооо о
ООО 'йх о о о о о о
О О О%о о о о о
ООО о о о о о
ООО olb^zzszzzzzzal о о
О О О О о о ООО
ООО лм о о о о о о
О О 0^7 о о о о о о
ооооооооо
Рис. 3.23. Принцип регенеративного
управляющего электрода:
1 — управляющий тиристор; 2 — основной
тиристор
Рис. 3.22. Форма управляющего элек-
трода при треугольном расположении
шунтов
«разносить» ток управления без значительного падения напря-
жения вдоль их длины.
К сожалению, вследствие использования разветвленных и
распределенных управляющих электродов ток управления увели-
чивается пропорционально длине края управляющего электрода.
Благодаря применению регенеративного управляющего электро-
да, который как управляющий электрод с полем в эмиттере и
инжектирующий управляющий электрод использует собственный
ток нагрузки в качестве источника энергии для обеспечения
управления прибором, эту проблему удается решить.
3.5.6. Регенеративный управляющий электрод
Схема регенеративного управляющего электрода показана на
рис. 3.23. Прибор состоит из вспомогательного или управля-
ющего тиристора /, соединенного общим анодом с основным
тиристором 2. Катод вспомогательного тиристора связан с управ-
ляющим электродом основного тиристора через сопротивление.
При включении электрода ток управления прикладывается к
вспомогательному тиристору и он включается. Ток нагрузки течет
в цепь управления основного тиристора и включает последний
более мощным током.
Описанный принцип включения прибора используется при
кольцевой конструкции регенеративного управляющего электрода
с поперечным сечением (рис. 3.24). Ток включения вспомогатель-
ного тиристора
2л 14
(3.40)
Л?7(Р) --
и основного тиристора
2л 14
1<;т{М) = ; ", Г
Ps In (г,2/гЕ2)
(3-41)
Как правило, вспомогательный тиристор должен включаться
первым, причем конфигурация управляющего электрода должна
быть такой, чтобы выполнялось неравенство /сг(Р)<^сг(М)- По-
91
Рис. 3.24. Поперечное сече-
ние кольцевой конструкции
регенеративного управляю-
щего электрода:
1 — управляющий электрод;
2 — управляющий тиристор;
3 — основной тиристор
скольку ток управления течет в p-базе под областями как вспо-
могательного, так и основного управляющего переходов, общее
сопротивление между управляющим электродом и катодом ока-
зывается при кольцевой конструкции управляющего электрода
больше, чем при его обычной конструкции. Это приводит к
большему падению напряжения в направлении от управляющего
электрода к катоду при включении (см. рис. 3.24):
tz _ 1°L
Vot~ 2л
[ps 1п (тг) +Ps ln (S) +pc ln (v) +
+ рс1п(’7г)]-
(3.42)
Рассмотрим теперь влияние на процесс включения тиристора
воздействия dv/dt или тока утечки регенеративного управляю-
щего электрода. Для тиристора с центральным управляющим
электродом можно определить зависимость критической плотно-
сти тока при включении от этих эффектов, которые связаны с
геометрией управляющего электрода.
Для вспомогательного тиристора
Л (z)₽ =
4Ке
ps.(di—d,)
для основного тиристора
(3.43)
(3.44)
Л (z) « =
4И£
рДГй —42)
Даже при ложном включении, обусловленном эффектом
dv/dt или током утечки, желательно, чтобы само включение про-
исходило на внутренней границе вспомогательного тиристора
с целью обеспечить максимально возможную защиту прибора на
этой стадии. Речь идет о выполнении условия Л (z) Р <ZJC (z) м и>
следовательно, соотношения
2 2 2 2
rs2~ ГЕ2 <rsl— Г^.
(3.45)
Для тиристора с центральным управляющим электродом
важным требованием является обеспечение меньшего значения
критического тока для вспомогательного тиристора по сравнению
с главным тиристором.
92
Рис. 3.25. Пример разветвленного управляющего регенеративного электрода
Хотя для большинства типов тиристоров широко использует-
ся простой кольцевой регенеративный управляющий электрод,
часто отдается предпочтение комбинации регенеративного управ-
ляющего электрода с разветвленным или распределенным управ-
ляющим электродом (рис. 3.25).
Поскольку ток нагрузки усиливает сигнал управления при на-
личии регенеративного управляющего электрода, можно увели-
чить периметр разветвленного электрода, сохранив в то же время
приемлемую чувствительность к сигналу управления. Как показа-
но на рис. 3.25, при включении ток управления, поступая из на-
грузки, течет вдоль ветви разветвленного управляющего электро-
да. Для того чтобы иметь равномерное распределение тока уп-
равления, сопротивление ветви управляющего электрода должно
быть достаточно низким.
За счет этого можно также существенно предотвратить разру-
шение прибора, обусловленное чрезмерной плотностью тока в
ветвях в течение фазы включения. Разветвленный регенератив-
ный управляющий электрод широко используется для быстродей-
ствующих тиристоров, которые имеют низкие потери при включе-
нии, высокую стойкость к эффекту di/dt и быстрое включение
[Assalit, Tobin, Wu, 1978], [Boster Ling, Sommer, 1980] и [Voss,
1974].
Глава 4
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТИРИСТОРОВ
Для многих областей применения весьма важно, чтобы ти-
ристор обладал малым падением напряжения в проводящем со-
стоянии. В ряде случаев не существует более важного параметра,
чем время выключения прибора. Наряду с этим для некоторых
видов оборудования существенно значение блокирующего на-
пряжения тиристора. Конечно, детальные требования к тиристо-
93
рам изменяются в зависимости от их конкретных областей при-
менений. Не удивительно поэтому, что в последние годы создано
большое количество разнообразных модификаций этих приборов,
некоторых из которых рассматриваются в этой главе.
4.1. Тиристоры с комбинированным выключением (ТКВ)
В ходе проектирования многих мощных электронных схем
очень важно обеспечить малые потери при высокой рабочей ча-
стоте. Это позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость
устройств и дает реальную возможность улучшения эффективно-
сти преобразования. Применение тиристоров на этих частотах ог-
раничивается временем выключения прибора.
Для обычных тиристоров уменьшение времени выключения
может быть достигнуто за счет ухудшения их остальных характе-
ристик: возрастает падение напряжения в открытом состоянии и
уменьшается скорость распространения включенного состояния.
Например, для тиристора с напряжением 1200 В типичное время
выключения 15 мкс. Тиристор с комбинированным включением
имеет время выключения меньше 6 мкс при напряжении 1200 В
[Shimizu, Oka, Funakawa, 1976].
Принцип комбинированного выключения аналогичен механиз-
му улучшения времени выключения при введении распределенных
шунтов эмиттерного перехода тиристора. Как показано в § 3.4,
шунты катодного эмиттера действуют в течение этапа прямого
восстановления, отводя одновременно ток восстановления и ток
смещения, обусловленный эффектом dv/dt, из тиристора без
прямого смещения перехода «-эмиттер— р-база (13).
В тиристорах с комбинированным выключением управляющий
электрод выполняет те же функции, чго и в обычном тиристо-
ре, но при этом управляющий электрод смещается в обратном
направлении, обеспечивая, таким образом, противодействие неко-
торому прямому смещению «-эмиттерного перехода (рис. 4.1).
Поскольку цепь управляющего электрода разомкнута, ток восста-
новления протекает непосредственно через «-эмиттер ранее сме-
щенного в прямом направлении эмиттерного перехода и вызы-
вает его разрушение в течение процесса выключения.
В случае же отрицательного смещения управляющего элек-
трода ток восстановления течет к управляющему электроду вдоль
р-базы. В результате еще больше увеличивается напряжение
прямого смещения Vs «-эмиттерного перехода, если сопротивле-
ние р-базы слишком высоко. Для линейного катода шириной
S [Shimizu, Ока, Funakawa, 1976]
(4.1)
О
где / (z) — сумма токов смещения и восстановления запирающей
способности; рЛ — поперечное сопротивление р-базы.
94
Рис. 4.1. Структура ТКВ:
а — без катодных шунтов; б — с катодными шунтами; 1 — ток, протекающий при
отрицательном смещении управляющего электрода (УЭ); 2— ток, протекающий при
разомкнутой цепи УЭ; 3 — ток, протекающий при смещении УЭ или без него
Напряжение Vs действует встречно обратному смещению, при-
ложенному к управляющему электроду, и если ширина S, ток
/ (z) или поперечное сопротивление ps значительно больше крити-
ческого значения, то это напряжение может превысить отрица-
тельное смещение управляющего электрода и прямое смещение
эмиттера, в результате чего при выключении тиристор разруша-
ется.
При наличии катодных шунтиров складывается иная ситуа-
ция. Согласно рис. 4.1, б приложенное к управляющему электро-
ду отрицательное смещение в случае прибора с шунтами приво-
дит к увеличению тока в направлении от катодного шунта к
управляющему электроду. Поперечный ток, текущий в р-базе,
направлен против эффекта прямого смещения, обусловленного
током восстановления. В этом случае высокое сопротивление
p-базы полезно, поскольку оно увеличивает эффект противосме-
щения тока управляющего электрода [Schlepel, 1976].
Для предотвращения возникновения слишком высокого про-
дольного напряжения, приложенного к p-базе, все ТКВ должны
иметь узкий n-эмиттер. По этой причине для мощных приборов
целесообразно использовать управляющие электроды типа «гре-
бенка». Как указывалось в предыдущих главах, применение та-
кой геометрии электродов требует больших токов управления.
Поэтому используются структуры с предусилением, обеспечиваю-
щие необходимые условия включения прибора. Это особенно
важно для ТКВ, которому необходимо работать в условиях вы-
соких значений di/dt [Shimizu, Oka, Funakawa, 1976] и [Tada,
Nakagawa, Ueda, 1981, 1982]. Тем не менее, как отмечалось в
этих публикациях, при проектировании тиристоров необходимо
решить ряд проблем.
На рис. 4.2 показан ТКВ с предусилением. Отметим, что диод
включен между центральным управляющим электродом и вспо-
могательным управляющим электродом, предназначенным для
95
Рис. 4.3. Тиристор с комбинированным выключением, регенеративным управляю-
щим электродом и интегральным шунтирующим диодом:
/ — диод; 2 — управляющий тиристор
Рис. 4.2. Тиристор с комбинированным выключением, регенеративным управляю-
щим электродом и шунтирующим диодом (показан ток, текущий к управляющему
$ электроду во время выключения):
1 — шунтирующий диод; 2 — вспомогательный управляющий электрод; 3 — управляю-
щий тиристор
комбинированного выключения. Он обеспечивает обходной путь
току управляющего электрода мимо вспомогательного тиристора
в процессе выключения прибора. В момент включения диод сме-
щается в обратном направлении и ток управления течет, через
вспомогательный тиристор. Однако при использовании этого дио-
да возникают две проблемы.
Во-первых, время восстановления диода должно быть доста-
точно малым/чтобы обеспечить вслед за выключением быстрое
восстановление запирающих свойств диода и предотвратить его
проводимость в обратном направлении, когда запускающий
импульс прикладывается к управляющему электроду. Если этого
не происходит, то эффективность основного управляющего элект-
рода ограничивается ответвлением тока к вспомогательному уп-
равляющему электроду, что в свою очередь приводит к разруше-
нию прибора fTada, Nakagawa and Ueda, 1982].
Во-вторых, определенные сложности возникают, когда диод
интегральным образом создается в самой структуре ТКВ (см.
рис. 4.3 и [Shimiru, Oka, Funakawa, 1976]. Для случая невстро-
енного диода (рис. 4.2) время его восстановления необходимо
контролировать. Однако это весьма сложно осуществить при мо-
нолитном исполнении тиристора. Время жизни неосновных носи-
телей заряда следует контролировать локально только в области
диода. В области тиристора этого не требуется.
Следующая проблема заключается в том, что появляется па-
разитная р—п—р—«-структура^ сформированная диодным
слоем, n-базой и р-эмиттером тиристора. Во время выключения об-
ратный ток управляющего электрода протекает через диод, вклю-
96
чает паразитный тиристор и вызывает разрушение прибора. Поэто-
му следует ограничивать коэффициент инжекции эмиттера за счет
уменьшения уровня легирования «-эмиттера для того, чтобы су-
щественно поднять уровень легирования р-слоя в режиме ин-
жекции.
На практике применение встроенного обводного диода не дает
каких-либо преимуществ по сравнению с использованием двух
отдельных дискретных приборов. Естественно, проблемы моно-
литного исполнения значительно сложнее.
4.2. Тиристор с обратной проводимостью (ТОП)
Несмотря на то что ТКВ используется для уменьшения вре-
мени выключения тиристора, с его помощью удается снять эту
проблему или сократить потери при включении. Значительное
улучшение этих параметров достигается в тиристоре с обратной
проводимостью (ТОП). Этот прибор имеет очень низкую блоки-
рующую способность в обратном направлении порядка 20—30 В,
но его можно проектировать с уменьшенной шириной «-базы в
случае использования р—п+ — п — р — «-структуры.
Для многих областей применений (в большинстве инверторов
и ключевых схем) необходимо включать диод встречно-парал-
лельно тиристору, как показано на рис. 4.4, чтобы выводить об-
ратный ток нагрузки минуя тиристор. В соответствии с особен-
ностями схемы обратное напряжение на тиристоре будет склады-
ваться из прямого падения его на диоде и составляющей Ls
(di/dt), обусловленной некоторой паразитной индуктивностью Ls.
В' большинстве случаев, за исключением очень высоких частот,
это напряжение обычно меньше 30 В. Таким образом, для тири-
сторов, применяемых в этих схемах, нет необходимости иметь вы-
сокую блокирующую способность.
Рис. 4.4. Тиристор с встречно-параллельно включенным диодом, обычно приме-
няемый в коммутаторных и инверторных схемах
Рис. 4.5. Сравнение обычного (а) и асимметричного (б) тиристоров, спроектиро-
ванных на одинаковое блокирующее напряжение:
/ — электрическое поле
97
Рис. 4.6. Зависимость Vpr:„ + /Vpr! от W„/xn для
р—п—п+-цтцг
На рис. 4.5 показаны конструкция и распределение электри-
ческого ‘Поля обычного тиристора и ТОП, спроектированного на
одинаковое прямое блокирующее напряжение. По сравнению с
обычным тиристором ТОП имеет широкую базу, состоящую из
двух слоев: высокоомного слоя и низкоомного буферного п+-
слоя (Nt)- В прямом блокирующем состоянии слой объемного за-
ряда, распространяющийся в «-область, достигает «+-буферного
слоя, нет затем эффективно ограничивается высоколегированной
частью этого слоя.
Распределение электрического поля ТОП имеет вид трапеции,
в то время как в обычном тиристоре поле треугольной формы, что
очень напоминает р—i—«-диод [Као, 1970]. Поскольку напря-
жение на р—«-переходе пропорционально площади кривой элек-
трического поля, совершенно ясно, что для структуры ТОП слой
N2 может быть существенно уже, чем для обычного тиристора с
таким же блокирующим напряжением.
Из [Као, 1970] напряжение пробоя р—п—«+-диода вычи-
сляется по формуле
^=2Л-Л2, (4.2)
где t]—Wn/xn; Крп„+ — напряжение пробоя р — п — «+-диода;
Vpn — напряжение пробоя диода с одинаковой проводимостью
«-слоя; Wn — ширина «-базы р—п—«+-диода; хп — ширина слоя
объемного заряда в диоде с одинаковой проводимостью, но не-
ограниченной шириной «-базы.
Это равенство графически представлено на рис. 4.6. Оно мо-
жет быть использовано совместно с графическими приведенными
зависимостями в предыдущих главах, для определения напряже-
ния пробоя и протяженности области пространственного заряда
в р—«-переходе, а также для установления оптимального со-
отношения между шириной слоя и проводимостью для р—п—п+-
диода. Например, диод, рассчитанный в [Ghandi, 1977] на на-
пряжение 1700 В, имел ширину базы 160 мкм, когда концентра-
98
ция примеси в базе составляла 8-Ю'3 см-3. При снижении кон-
центрации примеси до 2-1013 см-3 ширина базы уменьшилась до
102 мкм.
Для ТОП с аналогичной конструкцией и буферным «-слоем
дополнительным преимуществом является значительное умень-
шение коэффициента передачи р—п—р-транзисторной секции
прибора, в результате чего прямое напряжение пробоя ТОП
приближается к напряжению пробоя р—п—«+-диода. Выбор
правильного уровня легирования «-буферного слоя зависит в ос-
новном от требования к обратному напряжению ТОП. Например,
для 30 В подходит уровень легирования, равный 2-10|е см'3.
Этот слой может формироваться либо в результате диффузии из
фосфорного или мышьяковистого источника, либо методом эпи-
таксиального наращивания.
Следует отметить, что в случае ТОП требуется более низкий
уровень легирования, чем при изготовлении обычных мощных
приборов. Поэтому тем более необходим особый контроль за ре-
жимом диффузии.
Уменьшенная ширина базы ТОП существенно «помогает» сни-
жению падения напряжения и сокращает время включения при-
бора за счет сужения «-базы. Процесс выключения также уско-
ряется, поскольку узкая «-база способствует меньшему значению
накопленного заряда. Таким образом, ТОП обладает вполне оп-
ределенными преимуществами для различных областей примене-
ния по сравнению с обычными тиристорами за счет существенно-
го уменьшения обратного напряжения [Chu е. а.], [Locher,
1981]. Дальнейшее улучшение характеристик может быть до-
стигнуто путем комбинирования ТКВ с ТОП, что дает возмож-
ность спроектировать высокочастотные тиристоры, описанные в
[Bacuvier е. а., 1980], [Coulthord, Pezzani, 1981] и способные
коммутировать несколько сотен ампер при частоте 50 кГц.
4.3 Запираемые тиристоры
Все рассмотренные тиристоры могут переключаться из откры-
того в закрытое состояние, когда ток или прерывается, или ме-
няет свое направление под действием внешней схемы, которая
управляет током нагрузки. Для схем, работающих от источников
переменного тока, ток естественным образом каждые полпериода
меняет свое направление, обеспечивая тем самым реализацию
выключения прибора.
Если схема работает от источника постоянного тока или тре-
буется управлять переключением тиристора с помощью добавоч-
ного источника фиксированной частоты, то изменение направле-
ния тока достигается за счет его принудительной коммутации.'
Для этого обычно используется добавочный тиристор, который
обеспечивает протекание тока нагрузки в цепи с индуктивностью
99
Рис. 4.7. Схема инвертора Мак-Мюррея
или емкостью, где запасается энергия, необходимая для выклю-
чения тиристора.
На рис. 4.7 приведена в качестве примера схема инвертора
Мак-Мюррея. Коммутирующие тиристоры THAI и ТНА2 исполь-
зуют энергию, накопленную в L и С, для выключения главных
тиристоров ТН1 и ТН2, которые включаются попеременно, чтобы
получить переменный ток в нагрузке от источников постоянного
тока.
Запираемый тиристор тем не менее является прибором, кото-
рый можно включать и выключать путем приложения к управля-
ющему электроду положительного и отрицательного сигналов.
Следовательно, при его использовании в схемах тиристоров ком-
мутирующие элементы не нужны. В этом отношении запираемый
тиристор напоминает мощный транзистор: оба прибора являются
полностью управляемыми ключевыми элементами. Например,
если установить запираемый тиристор в простой схеме инвертора
на рис. 4.7, то отпадает необходимость во вспомогательных тири-
сторах, индуктивности L и емкости С. Простейшая схема инвер-
тора на базе запираемого тиристора показана на рис. 4.8.
4.3.1. Принцип действия,запираемого тиристора
Базовая структура запираемого тиристора показана на рис.
4.9. Она очень похожа на структуру обычного тиристора. Наи-
более существенное отличие запираемого тиристора от обычного
заключается в том, что первый имеет эмиттер в виде узких длин-
ных полос, окруженных управляющими электродами, без шунти-
рования катода. При включении прибора управляющий электрод
смещен положительно относительно катода, что приводит к вве-
Рис. 4.8. Простейшая схема инвертора на базе запирае-
мого тиристора
Рис. 4.9. Базовая структура запирае- Рис. 4.10. Фазы выключения запирае-
мого тиристора мого тиристора
дению дырок в его p-базу. Запираемый тиристор включается в
проводящее состояние так же, как и обычный тиристор, при вы-
полнении условия
Орпр 1, (4.3)
где апрп и арпр — коэффициенты усиления по току п—р—п- и
р—п—p-составных транзисторов прибора в схеме с общей базой.
Как и в обычном тиристоре, включение прибора происходит
первоначально на краю и+-эмиттера, смежного с управляющим
электродом. Затем запираемый тиристор достигает состояния
полного включения за счет процесса распространения плазмы.
При выключении управляющий электрод смещается отрица-
тельно относительно катода и дырочный ток экстрагируется из
.его p-базы (рис. 4.10). Включение и выключение прибора начи-
нается с того края эмиттера, где переход J3 смещается в обрат-
ном направлении. При осуществлении процесса выключения про-
водящий участок и-эмиттера сжимается по направлению к цент-
ру эмиттера по мере того, как эмиттер смещается в обратном
направлении до тех пор, пока, наконец, в центре эмиттера не ос-
тается тонкая проводящая нить.
За это время, называемое временем накопления, анодный ток
практически не изменяется, плотность тока в центре эмиттера
оказывается гораздо больше, чем в том случае, когда весь при-
бор находится в проводящем состоянии. Если управляющий
электрод отводит достаточный заряд, чтобы снизить уровень из-
быточного заряда ниже значения, требуемого для поддержания
состояния проводимости, то запираемый тиристор выключается и
ток снижается до своего минимального значения. Время, в те-
чение которого это происходит, называется временем спада.
Анодное напряжение начинает нарастать по мере уменьшения
тока. Однако ток спадает не до нуля, а до некоторого порогово-
го значения,'называемого остаточным током, который протекает
До тех Пор, пока весь накопленный заряд не будет удален из
101
Рис. 4.11. Осциллограммы запираемого тиристора
области и-базы. Различные фазы выключения запираемого тири-
стора показаны на рис. 4.11. Для обеспечения дополнительной
четкости при рассмотрении принципа действия прибора исполь-
зуются результаты [Naito е. а., 1979].
В качестве примера авторами рассматривается запираемый
тиристор с концентрацией примеси в и-базе шириной 150 мкм,
равной 2-1014 см-3, спроектированный на 1200 В, со следующи-
ми параметрами режима работы: 100 А/см2, 200 В и крутизне
нарастания запирающего тока управления 22 А/(см2-мкс). Ре-
зультаты машинного расчета распределения электронов, дырок
и потенциала приведены на рис. 4.12, а—е. Расчет выполнен для
формы тока, представленной на рис. 4.12, ж.
В проводящем состоянии (рис. 4.12, а) все три перехода ти-
ристора смещены в прямом направлении и прибор имеет низкое
падение напряжения. В момент времени t = 0,925 мкс запираемый
тиристор находится в режиме накопления, ток управления экст-
рагирует заряд из прибора и плотность носителей в области пере-
хода J2 уменьшается, хотя переходы еще смещены в прямом на-
правлении и тиристор обладает небольшим сопротивлением.
В момент времени / = 1,45 мкс переход 12 смещается в об-
ратном направлении, что приводит к значительному снижению
плотности носителей в этой области. В результате уменьшается
102
Рис. 4.12. Распределение электронов (-), дырок (.) и потенциала (-----) на
различных этапах включения прибора:
О — / = 0; б — / = 0,925 мкс;, в — /=|,45 мкс; г — / = 2,65 мкс; д—/ = 2,98 мкс; е —
<=7,08 мкс; ж — расчетные кривые выключения анодного /л, катодного 1К и управляю-
щего 1С токов
103
анодный ток, поскольку сопротивление прибора теперь не превы-
шает сопротивление нагрузки. Когда плотность носителей пере-
хода J2 уменьшится еще больше, анодный ток будет ограничи-
ваться еще сильнее и прибор перейдет в режим спада тока.
Распределение носителей в конце периода спада приведено на
рис. 4.12, г для момента времени / = 2,65 мкс. Очевидно, что
анодное напряжение составляет при этом более 50% напряже-
ния источника питания, хотя анодный ток остается еще большим,
как показано на рис. 4.12, ж. К концу периода спада сопротивле-
ние прибора увеличивается и управляющий ток превышает анод-
ный ток. В этом случае катодный ток изменяет свое направление
(рис. 4.12, ж) и переход J3 смещается в режим обратного про-
боя, т. е. восстанавливает свои запирающие свойства (см.
рис. 4.12, д).
Интересно отметить, что на этапе медленного спада тока в мо-
менты времени / = 2,98 и 7,08 мкс концентрация электронов у
перехода J2 значительно снижается, поскольку эмиттерный пе-
реход теперь смещен в обратном направлении, но концентрация
дырок еще достаточно высока, так как р—п—р-транзистор оста-
ется активным. Его активность обусловливается носителями, на-
копленными в «-базе, вызывающими инжекцию дырок р-эмит-
тером.
В [Naito, 1979] приведена формула для определения времени
накопления, как времени, требуемого для перехода J2, чтобы
выйти из насыщения.
Согласно [Wolley, 1966] время накопления можно определить
из следующего выражения:
/s=(g—l)/f9ln SL"/uyp + 2L"/rr-g+i (4.4)
4Li/Wl-g+]
где g = IA/Ic — коэффициент запирания; /(2— время пролета
p-базы; S — ширина эмиттера; Ln — диффузионная длина элект-
ронов в p-базе; Wp — ширина p-базы. Очевидно, что время на-
копления возрастает с увеличением коэффициента запирания.
Иначе говоря, для малых уровней токов управления эффект
запирания сказывается слабее. Максимальное значение коэффи-
циента запирания
g (max)= 1 +4L2n/Wj,. (4.5)
Следует заметить, что Ln характеризует ширину конечного про-
водящего канала непосредственно перед началом этапа спада то-
ка. Выражение (4.5) может быть использовано для сведения
проводящей области в конечном итоге к узкому каналу шири-
ной Ln.
Альтернативное выражение для коэффициента запирания
можно получить из рассмотрения двухтранзисторной модели
(см. рис. 2.5). Базовый ток, требуемый для поддержания
104
п—р—«-транзистора, равен (1—Опрп)^, в то время как на самом
деле он равен арпр1А+1а- Таким образом, запираемый тиристор
будет выключен, если выполняется условие
арп.р1А Н- Лл < (1 О-прп}1цу (4-6)
но, поскольку IA-\- IG=IK, это выражение можно записать в виде
__ Л1 а"рп м
IQ t^npii —]— Ctpnp 1
Меньший из двух коэффициентов запирания, определяемых
согласно (4.5) и (4.7), можно считать предельным коэффициентом
запирания. Следует отметить, что хотя равенство (4.5) характе-
ризует максимальный коэффициент запирания при сведении про-
водящей области до размеров узкой нити, выражение (4.7) по-
зволяет вычислить максимальный коэффициент запирания, п[эи
котором прибор переходит из режима однородной проводимости
в режим спада, т. е. имеет место канальная проводимость.
Рассмотрим теперь влияние на процесс выключения тиристора
сопротивления его р-базы. В [Wolley, 1966] показано, что макси-
мальный ток управления, который может быть экстрагирован,
ограничивается обратным напряжением пробоя перехода 13. Во
время выключения прибора дырочный ток, текущий в управляю-
щий электрод, проходит вдоль р-базы. Это приводит к падению
потенциала на p-базе под эмиттером и вызывает обратное сме-
щение последнего. Из-за большого управляющего тока напряже-
ние обратного смещения превышает напряжение пробоя эмитте-
ра. Максимальный ток управления
. (4.8)
Re
где VGK— напряжения пробоя перехода J3; RB = psS/L — про-
дольное сопротивление р-базы в предположении, что ширина ко-
нечного проводящего канала уже ширины эмиттера; ps — сопро-
тивление слоя р-базы; L — длина линейного эмиттера.
Точный расчет запираемого тиристора чрезвычайно важен с
точки зрения определения его способности к запиранию. Соглас-
но [Naito е. а., 1979] значения анодного напряжения и тока
весьма высоки в течение всего этапа спада тока. Это приводит к
высокой плотности мощности, выделяемой в тиристоре, и, следо-
вательно, к разрушению прибора. Изучение механизмов разруше-
ния запираемого тиристора в процессе выключения проведено в
[Ohashi, Nakagawa, 1981] и [Nakagawa, Ohashi, 1984] с исполь-
зованием как теоретического, так и экспериментального методов.
Оказалось, что во время выключения прибора температура в
области перехода может достигать 600° С. Когда же температура
превышает ориентировочно 700° С, термогенерационной ток ста-
новится больше на некоторых участках, чем запирающий ток
105
TOKIL
Рис. 4.13. Области безопасной работы запи-
раемого тиристора
1 управляющего электрода, и про-
L——в исходит разрушение прибора. Одна-
I ко высокая температура скорее не
I причина, а следствие наблюдаемой
1 концентрации плотности тока.
1 Причиной же чрезмерной плот-
ности тока являются главным об-
______। ---^ разом неоднородности, обусловлен-
Vfy ные сопротивлением p-базы, и эф-
Напряжение V фект накопления заряда в «-базе.
Предельное максимальное значение
анодного напряжения, прикладываемое к переходу в течение
этапа сйада Vd/p, главным образом зависит от коэффициента
передачи составного п—р—«-транзистора (чем выше коэффи-
циент передачи, тем ниже VdP) и ширины «-базы (VjPcoU7n).
На стадии выключения прибора проводящая область вдоль
эмиттера в конце концов сжимается в узкую линейную область,
которая затем разрывается на отдельные проводящие участки.
Послё этапа спада, когда эмиттерный переход J3 восстанав-
ливается, через него протекает остаточный ток, который распре-
деляется опять по всему эмиттеру [Palm and Van de Wiele,
1984]. Хотя этот ток и незначителен, из-за довольно высокого
прикладываемого анодного напряжения возникают существенные
потери мощности тиристора. Как видно из рис. 4.11, анодное на-
пряжение может нарастать в течение этапа спада тока, что при-
водит к появлению дополнительной токовой компоненты, обуслов-
ленной эффектом dv/dt. В случае высокого значения остаточного
тока происходит повторное включение тиристора.
В обоих вариантах разрушения прибора, рассмотренных вы-
ше, следует подчеркнуть факт нарастания тока. Таким образом,
необходимо установить значение максимального допустимого
анодного тока 1ТСМ' которое можно выключить с помощью управ-
ляющего электрода. Для решения поставленной задачи целесо-
образно определить области безопасной работы (ОБР) запирае-
мого тиристора (рис. 4.13). Участок А соответствует максималь-
ному значению тока //(;лъ обусловленному ограничениями по теп-
ловой мощности рассеяния и равенствами (4.5) и (4.7) для коэф-
фициента запирания, связанными с предельным управляющим
током; участок В учитывает ограничение по V,/p, рассмотренное в
[Nakagawa, Ohashi, 1984] и определяемое в основном ОБР со-
ставного п—р—«-транзистора, управляемого дырками, инжекти-
руемыми из р-эмиттера; участок С — это область остаточного
тока составного транзистора. Работа с выходом за пределы лю-
бого из этих участков приводит к выходу прибора из строя.
106
4.3.2, Проектирование запираемого тиристора
Большинство критериев проектирования запираемого тиристо-
ра обсуждалось уже в предыдущих разделах. Рассматривалось
отдельно и влияние сопротивления р-базы с точки зрения его аб-
солютного значения и однородности на сопротивление RB. Таким
образом, это позволяет управлять значением напряжения пробоя
Vck посредством изменения уровня легирования на напряжение
пробоя перехода J3.
Хотя высокое значение VGK позволяет, как следует из равен-
ства (4.8), обеспечить значительные токи управления, значения
последних ограничиваются максимально допустимым средним
сопротивлением р-базы, поскольку необходимо иметь низкое ба-
зовое сопротивление и высокий коэффициент усиления п—р—п-
транзистора. На практике значения поперечных сопротивлений
р-базы изменяются от 100 до 250 Ом, обеспечивая вариации на-
пряжения VGK от 15 до 25 В.
Для того чтобы обеспечить наименьшее значение сопротивле-
ния р-базы, ширина эмиттера S должна быть незначительной, а
его длина L, наоборот, очень большой. С этой целью используют-
ся некоторые формы распределенного управляющего электрода,
описанные в п. 3.5.5.
Для работы на высоких мощностях применяются специально
сконструированные тиристоры с радиальными выпрямительными
элементами (рис. 4.14). Прибор может состоять из многих сотен
элементарных запираемых тиристоров. Контактная система ти-
ристора показана на рис. 4.15. Катодные эмиттеры расположены
Рис. 4.14. Набор типичных выпрямительных элементов запираемых тиристоров
(наименьший имеет диаметр 22 мм, наибольший — 76 мм)
107
Рис. 4.15. Сечение сверхмощного запираемого тиристора с прижимным катодным
контактом и мезакатодом:
УЗ — управляющий электрод
выше области управления, и контакт с ними осуществляется с
помощью прижима (см. § 5.7).
Преимущество такой конструкции состоит в том, что эмиттер
выполняется очень длинным, за счет чего удается решить пробле-
му выключения тиристора и получить высокие значения di/dt.
Недостаток прибора заключается в том, что управляющий ток
включения имеет очень большое значение, а отношение контакти-
рующей области эмиттера и полной площади прибора незначи-
тельно (порядка 25%), что в свою очередь приводит к увеличен-
ному тепловому сопротивлению. Целесообразно оптимизировать
расположение элементов тиристора с помощью специальных
моделей [Taylor, Findlay, Denyer, 1984].
На важность низкого коэффициента инжекции анода для
контролирования остаточного тока указано в [Naito е. а.,
1979].
Ранее отмечалось, что необходимо иметь как можно более
низкий коэффициент передачи р—п—р-транзистора арпр для
обеспечения высокого коэффициента запирания. В запираемых
тиристорах эти требования удовлетворяются или за счет сниже-
ния времени жизни неосновных носителей в и-базе возле перехо-
да //, или с помощью распределенного щунтирования анодного
эмиттера.
Преимущество регулирования времени жизни неосновных но-
сителей заряда заключаются в том, что в этом случае
применяется простая технология, не требующая дополнительных
затрат активной площади эмиттера [Taylor, 1984], однако по
сравнению с шунтированием анода имеет место худшее соотно-
шение между падением напряжения во включенном состоянии и
потерями мощности при выключении прибора. Регулирование
времени жизни носителей осуществляется диффузией золота
108
Катов
Рис. 4.16. Запираемый тиристор с зашунтированным анодом и его двухтранзис-
торная модель
[Woodworth, 1984]. Этот метод применяется для низковольтных
приборов малой мощности, но в случае запираемых тиристоров
с высоким напряжением и большой площадью используется техни-
ка шунтирования анодного перехода [Yatsuo е. а., 1984].
Влияние шунтирования анода на коэффициент передачи
р—п—р-структуры можно уяснить с помощью двухтранзистор-
йой модели запираемого тиристора с зашунтированным анодным
переходом (рис. 4.16). Эффективный коэффициент передачи
р—п—р-транзистора с сопротивлением, шунтирующим анодный
переход,
I р
CLpniAe][) = apiip (4-9)
Выбор правильного значения сопротивления Rs определяет
как амплитуду остаточного тока fYatsuo е. а., 1984], которая
уменьшается с уменьшением Rs, так и падение напряжения в
открытом состоянии, напряжение в закрытом состоянии и ток
управления [Taylor, Findloy, Denyer, 1985], [Yatsuo e. a., 1984],
возрастающие с уменьшением Rs.
Хотя применение структур с зашунтированным анодом приво-
дит к потере блокирующей способности в обратном направлении,
это обстоятельство не накладывает существенных ограничений на
области применения запираемых тиристоров, где имеется встреч-
но-параллельный диод, который используется для обеспечения
протекания обратного тока. При анодном шунтировании увели-
чивается блокирующая способность в прямом направлении бла-
годаря уменьшению коэффициента передачи annp в случае работы
Прибора при Ьысокой температуре (§ 2.2).
109
4.3.3. Конструкции специальных типов запираемых тиристоров
На базе запираемого тиристора создано несколько типов при-
боров, отличающихся специальными свойствами: запираемый ти-
ристор с регенеративным уплотняющим электродом (ЗТРУЭ), за-
пираемый тиристор с обратной проводимостью (ЗТОП), запи-
раемый тиристор со скрытым управляющим электродом (ЗТСУЭ)
и запираемый тиристор с двумя уровнями (ЗТДУ).
Прибор типа ЗТРУЭ является запираемым тиристором с пред-
варительным усилением управляющего сигнала при включении.
Как и в случае тиристора с комбинированным включением (см.
§ 4.1), регенеративный управляющий электрод необходимо шунти-
ровать в процессе выключения специальным диодом. При этом,
естественно, возникают те же проблемы, что и в ТКВ, т. е. следует
учитывать скорость восстановления диода и паразитный р — п~
—р — и-эффект в том случае, если шунтирующий диод интег-
рально встроен в структуру тиристора [Natsuda е. а., 1985].
Тем не менее, если учитывать, что в обычном запираемом тири-
сторе для включения требуется большой ток управления, при-
менять регенеративное управление очень перспективно.
Комбинация в одном монокристалле встречно-параллельно
включенных диода и запираемого тиристора, называемая ЗТОП,
рассматривалась в [Huang, Barnes, 1985]. Наличие встречно-
параллельного диода в одном кристалле позволяет потребителю
упростить конструкцию прибора, уменьшить размеры и снизить
паразитную индуктивность соединительных выводов. Главный не-
достаток ЗТОП заключается в том, что комбинация запираемый
тиристор — диод должна быть единственной в своем роде для
каждой конкретной области применения. Поэтому применение
прибора может быть ограничено по экономическим соображениям.
Как указывалось ранее, один,из недостатков мощных запирае-
мых тиристоров — это потеря активной проводящей площади при-
бора и высокое термическое сопротивление, обусловленное его
«разбивкой» на отдельные элементы. Один из вариантов прео-
доления этой проблемы заключается в использовании скрытого
управляющего электрода (рис. 4.17).
В ЗТСУЭ управляющий электрод выполнен в виде утоплен-
ных сильно легированных р+-элементов. У этих приборов очень
большая площадь эмиттера, за счет чего обеспечивается одновре-
менно увеличение активной проводящей площади и термической
проводимости. Увеличенная площадь эмиттера обусловлена
эффективным уменьшением продольного сопротивления р-базы
ввиду наличия р+-элементов. Уменьшенное эффективное сопро-
тивление позволяет увеличить ширину катодного эмиттера и тем
самым увеличить полезную площадь прибора.
Очень важно правильно выбрать уровень легирования р+-
элементов. Он должен быть, с одной стороны, достаточно высок,
НО
Рис. 4.17. Запираемый тиристор со
скрытым управляющим электродом
Рис. 4.18. Запираемый тиристор с дву-
мя уровнями управления
чтобы управляющий электрод экстрагировал заряд при выключе-
нии прибора без чрезмерного обратного смещения р+-элементов,
обусловленного омическим падением напряжения. Заметим, что
длину /?+-элементов следует ограничивать.
С другой стороны, уровень легирования должен быть доста-
точно низким, чтобы обеспечить беспрепятственное протекание
тока по всем элементам тиристора, когда он находится во вклю-
ченном состоянии. Другими словами, выбирается уровень легиро-
вания, не превышающий избыточную концентрацию носителей
в р-базе.
Кроме того, у ЗТСУЭ можно получить большее напряжение
пробоя эмиттерного перехода, поскольку уровень легирования р-
базы возле перехода J3, как правило, ниже, чем в обычном запи-
раемом тиристоре. Приборы со скрытым управляющим электродом
описаны в [Ishibashi е. а., 1983] и [Suzuki е. а., 1982] для макси-
мального напряжения 1200 В и тока 1200 А.
При использовании эпитаксиальной технологии напряжение
пробоя эмиттера VCK составляет 60 В, в то время как в обычных
запираемых тиристорах оно равняется 16 В. Увеличенное значе-
ние напряжения пробоя тиристора является определенным преиму-
ществом при проектировании быстродействующих приборов, где
для выключения необходимо предусматривать протекание высоких
запирающих токов управляющего электрода при высоких уровнях
di/dt от источника напряжения, максимальное напряжение ко-
торого ограничивается значением VaK [Но, Sen, 1984].
Запираемый тиристор с двумя уровнями управления, описан-
ный в [Silard, 1984], схематически представлен на рис. 4.18.
В этой конструкции катодный эмиттер содержит две характерные
области А и В. На этапе включения тиристора и в состоянии его
проводимости область А обеспечивает очень быстрое включение
и малое падение напряжения в приборе.
На этапе выключения область В позволяет получить пути с
111
Рис. 4.19. Запираемый тиристор с дем.
пфирующей цепочкой и блоком управ-
ления БУ
низким сопротивлением для экстрагирования управляющим
электродом заряда и, таким образом, действует в направлении
интенсификации управляющего электрода, увеличивая протяжен-
ность его параметра. Речь идет о чрезвычайно полезном эффекте
расширения размеров конечного участка проводимости на этапе
выключения и, следовательно, уменьшении вероятности разруше-
ния прибора. Например, при использовании подобной конструкции
возрастание максимального анодного тока, который может быть
отключен, достигает 0,8/ном [Silard, 1984].
4.3.4. Взаимодействие запираемого тиристора со схемой
При^проектировании запираемого тиристора особое внимание
должно быть обращено на влияние внешней схемы на поведение
тиристора. Запираемый тиристор с демпфирующей цепочкой и бло-
ком управления представлен на рис. 4.19.
Во время выключения быстрый спад анодного тока сопровож-
дается ростом анодного напряжения. Если dv/dt слишком велико,
то не исключена возможность повторного включения тиристора
или возникновения в сочетании с остаточным током слишком
большой мощности потерь и как следствие разрушения прибора.
В реальных схемах крутизна повторно прикладываемого на-
пряжения ограничивается с помощью демпфирующей цепочки.
При уменьшении анодного тока ток нагрузки перераспределяется
в защитную (демпфирующую) цепочку и заряжает емкость С5.
Повторное прикладываемое напряжение dv/dt фактически задает-
ся соотношением ЦС.., и, следовательно, большой ток или низкая
емкость могут привести к высоким dv/dt.
На практике из-за наличия защитной цепочки на этапе спада
тока запираемого тиристора возникают нежелательные воздейст-
вия. Речь идет о влиянии паразитной индуктивности цепочки,
обусловленной присутствием проводки и емкости, а также напря-
жения, возникающего в момент включения диода. В течение
периода спада скорость изменения тока может превышать
1000 А/мкс, что приводит к возникновению большого максималь-
ного напряжения, обусловленного эффектом Ls(di/dt), значение
которого необходимо ограничить (см. рис. 4.11).
Сигнал управления оказывает очень сильное влияние на пове-
дение запираемого тиристора как в режиме включения, так и в
112
режиме выключения [Но and Sen, 1984]. Типичная форма управ-
ляющего тока и напряжения показаны на рис. 4.11.
Для обеспечения надежного включения пр'йбора требуется
импульс с амплитудой, в 5—10 раз превышающей минимальный
отпирающий ток управления. Во включенном состоянии полезно
поддерживать длительный управляющий ток, чтобы запираемый
тиристор оставался во включенном состоянии, даже если ток при-
бора на короткое время снизится до уровня-ниже тока удержания.
В процессе выключения р—«-переход управляющего электрода
смещается в режим лавинного пробоя напряжением L(di/dt)
в цепи управления. Это напряжение «ускоряет» восстановление
эмиттерного перехода, но если оно прикладывается достаточно
долго, то возможно разрушение прибора, обусловленное большой
мгновенной мощностью.
Когда тиристор находится в выключенном состоянии, сущест-
вует возможность возникновения мгновенного напряжения на
электродах. Поскольку катодный эмиттер запираемого тиристора
не имеет внутреннего шунтирования, прибор защищается от лож-
ного включения путем обеспечения длительного обратного смеще-
ния между управляющим электродом и катодом, экстрагирую-
щего емкостной ток Cd(dv/dt) или ток утечки из базы.
4.4. Тиристор с обратной проводимостью (ТОП)
В случае необходимости пропускания переменного тока для
упрощения основной схемы инвертора, показанной на рис. 4.7,
и ряда других схем с встречно-параллельной комбинацией ти-
ристора и диода, следует применять тиристор с обратной прово-
димостью. Базовая структура однокристального ТОП показана на
рис. 4.20.
Рис. 4.20. Структура ТОП:
УЭ— управляющий электрод; /— канавка, вытравленная для увеличения сопротивле-
ния изоляции
ИЗ
Поскольку ТОП не обладает обратной блокирующей способ-
ностью, возможно уменьшение толщины кремниевой пластины за
счет уменьшения глубины обычно обратно блокирующего р-эмит-
тера приблизительно до 80 мкм и замены его тонким р-эмиттером
с малым блокирующим напряжением. Более того, анодный эмит-
тер может быть выполнен с распределенными шунтами (см.
п. 3.4.3), позволяющими уменьшить коэффициент передачи р—
п—р-транзистора, а также создать основу для дальнейшего умень-
шения ширины и-базы и обеспечения прямого блокирующего на-
пряжения.
Таким образом, ТОП имеет более тонкую структуру и соот-
ветственно меньшую мощность потерь во включенном состоянии
для заданного времени жизни неосновных носителей заряда, чем
ранее рассмотренные приборы. Кстати, уменьшенная толщина
структуры и — если используются — анодные шунты позволяют
иметь меньшее время жизни неосновных носителей заряда, чем
у обычных приборов без ухудшения прямой блокирующей харак-
теристики и характеристики во включенном состоянии. Меньшее
время жизни неосновных носителей заряда и толщина прибора
способствует его быстрому выключению [Matsuzawa, Usunaga,
1970].
Преимуществом ТОП по сравнению с парой диод — тиристор
является его поведение в течение процессов выключения. При
встречном включении пары тиристор — диод между этими компо-
нентами неизбежно возникает паразитная индуктивность. Во вре-
мя выключения тиристора ток течет в диод, создавая падение на-
пряжения в приборе, равное сумме прямого напряжения на диоде
и произведения L(di/di). Это напряжение имеет отрицательный
знак на протяжении всего периода, перед тем как ток диода до-
стигает своего максимального значения.
Однако в ТОП отсутствует индуктивность между интегрально-
встроенными диодом и тиристором. Поэтому обратное напряжение
на тиристоре определяется при обратном протекании тока как
прямое напряжение на диоде и остается отрицательным в течение
периода полной проводимости диода.
Таким образом, в ТОП обратное напряжение прикладывается
к тиристору в течение длительного промежутка времени и помо-
гает восстановлению запирающей и блокирующей способности
прибора, обеспечивая меньшие времена выключения [De Bruyne,
Jaecklin, 1979].
Очень важным при проектировании ТОП является получение
хорошей изоляции между диодной и тиристорной областями.
В обычном режиме работы тиристорная область не проводит
тока и восстанавливает способность к блокированию только во
время этапа проводимости диода. Изоляция необходима для то-
го, чтобы избыточные носители в диоде в течение этого времени
не проникали в тиристор, поскольку избыточный заряд приводил
114
бы к его разрушению во время выключения [Gama, Funakawa,
Shimizu, 1977].
Существует три подхода к созданию изоляции. Во-первых,
это получение изолирующей области за счет высокого сопротив-
ления р-базы между приборами (рис. 4.20), во-вторых, высокого
сопротивления н-базы и, в-третьих, с помощью области с понижен-
ным временем жизни неосновных носителей заряда. Высокое со-
противление р-базы обеспечивается путем введения канавки
(см. на рис. 4.20) или за счет увеличения сопротивления н-базы
в результате продвижения р-эмиттера в изолирующую область.
Локальная область с уменьшенным временем жизни неосновных
носителей заряда может быть создана облучением электронами
или локальной диффузией золота.
И в тиристорной, и в диодных областях требуется контроли-
ровать времена жизни неосновных носителей заряда для того,
чтобы получить меньшее время выключения тиристора и регули-
ровать заряд восстановления диода. К сожалению, в общем слу-
чае времена жизни неосновных носителей заряда для диода и
тиристора не одинаковы [Huang, Barnes, 1985]. Однако эта
проблема решена в [Toda е.а., 1983], где использована диффу-
зия золота для регулирования времени жизни носителей в тиристо-
ре и диффузия платины для регулирования времени жизни носи-
телей в диоде.
При проектировании ТОП выбор относительных размеров пло-
щади диода и тиристора зависит от условий применения прибора.
Целесообразно проектировать диод и тиристор с идентичными
характеристиками падения напряжения во включенном состоянии
для одинакового уровня тока. Чаще всего ТОП используется в
преобразователях электрической тяги [lida е.а., 1980].
4.5. Тиристоры, включаемые светом
Оптически включаемые силовые тиристоры, являются весьма
желательными в будущем для высоковольтных схем, где необхо-
дима высоковольтная изоляция цепей управления и для примене-
ния в условиях, где электрические наводки создают помехи в цепи
управления. В особенности это важно для тиристоров, применяю-
щихся в преобразователях высоковольтных линий электропере-
дач постоянного тока, где требуется изоляция, превышающая
100 кВ относительно потенциала земли.
Приемлемым решением для электрически включаемого тири-
стора является использование оптически связанной системы,
включающей в себя светоизлучающий диод (LED), передающий
излучение через оптический волоконный кабель фототранзистор-
ному детектору. Недостаток такого решения связан с наличием
Детекторной системы и источника питания, находящихся в схеме
Под напряжением того же самого потенциала, что и тиристор. При
115
оптически чувствительном тиристоре тиристор сам становится фо-
тодетектором и отбирает необходимую энергию непосредственно
из силовой цепи, давая значительную экономию в комплектности
схемы и, следовательно, повышая надежность.
Существуют два основных подхода в использовании тиристо-
ров, включаемых светом, представленных на рис. 4.21: ими яв-
ляются (а) использование вспомогательного тиристора, включае-
мого светом, или (б) непосредственное включение светом главного
мощного тиристора. В варианте с вспомогательным тиристором
светочувствительный прибор будет нагружаться малым током,
причем существенно только среднее значение тока, необходимое,
чтобы переключить главный тиристор в проводящее состояние,
следовательно, вспомогательный прибор может иметь небольшие
размеры. Резистор устанавливается между светочувствительным
прибором и мощным тиристором с целью ограничить ток до та-
кого значения, которое вспомогательный прибор может выдер-
жать в процессе включения. Дополнительным преимуществом
этого устройства является то, что вспомогательный прибор со-
храняет свою работоспособность при температуре перехода, зна-
чительно более низкой, чем основной прибор.
Вспемогательный тиристор обладает также повышенной стой-
костью к эффекту dv/dt. Основным недостатком прибора с вспо-
могательным тиристором является дополнительная стоимость и
комплектное использование двух компонентов по сравнению с ва-
риантом, в котором основной мощный тиристор сам является
светочувствительным, как на рис. 4.21,6.
В процессе оптического включения электронно-дырочные пары
генерируются в тиристоре путем возбуждения светом. Это вызы-
вает фототок, который включает тиристор. Очевидно, что правиль-
ный выбор длины волны светового потока является критическим.
Если длина волны слишком велдка, то фотоны не способны гене-
рировать электронно-дырочные пары. Если длина волны недоста-
точна, то световой поток не проникает в глубину кремниевой струк-
туры [Gerlach, 1977]. Оптимальная длина волны, генерируемая
светодиодами и лазерами на основе GaAs, колеблется в пределах
от 850 до 950 нм.
Для светового управления тиристорами применяются различ-
ные типы источников: светодиоды, лазеры и импульсные лампы.
Светодиоды довольно дешевы и надежны в эксплуатации. Однако
они обладают низким уровнем мощности, что затрудняет их
сопряжение с оптическим волоконным кабелем. Лазеры обеспечи-
вают высокий уровень мощности и легко сопрягаются с оптиче-
скими волоконными кабелями, но значительно труднее в обраще-
нии. Кроме того, они дорого стоят и не надежны в работе при
высоком уровне мощности. Поэтому чаще всего для управления
тиристорами используются специально разработанные мощные
светодиоды [Tado е.а., 1980], [Yahata, Beppu, Ohashi, 1983]-
116
Рис. 4.21. Вспомогательный
фототиристор (а) и фототи-
ристор с непосредственным
включением (б):
/ — источник света; 2 — свето-
вод
Рис. 4.22. Структуры фототиристора:
а — л-эмиттер в области фотоокиа; б — п-эмиттер
вне области фотоокна
В схемах с большим количеством тиристоров, которые необхо-
димо включать одновременно,— оборудование для ВЛ ПТ — при-
меняются цезиевые дуговые лампы, которые обладают высокой
мощностью при длительном сроке службы [Addis, Damsky and
Nakata, 1985].
4.5.1. Простые светочувствительные управляющие электроды
Некоторые конструкции светочувствительного управляющего
электрода фототиристора показаны на рис. 4.22.
В структуре на рис. 4.22, а свет для генерации электронно-
дырочных пар проникает в тиристор через п эмиттер, а на
рис. 4.22, б n-эмиттер на фотоприемнике отсутствует. Если длина
световой волны колеблется в пределах от 930 до 950 нм, то среднее
проникновение светового потока в кремний составляет прибли-
зительно 60 нм [Silard, Dascalescu, 1982]. Поскольку световой
.поток будет наиболее эффективен около блокирующего в прямом
направлении перехода, очень важно, чтобы расстояние между
поверхностью фотоокна и J2 было не более 60 мкм. Падающий
свет генерирует фототок ]pi„ который приводит в результате к
Дырочному току [Gerlach, 1977]
7,, = —^-. (4.10)
1 OLpnp
Этот ток дырок течет из области, где он генерируется по
направлению к эмиттерному шунту при r = rs и создает на эмит
терном переходе J3 падение напряжения
|/ 1п р-) (4.11)
4л 2л \Г\/
117
для структуры, представленной на рис. 4.22, а, и
<412>
для структуры, показанной на рис. 4.22, б.
Используя выражение, приведенное в [Gerlach, 1977], для
минимальной плотности световой мощности при включении
р hvlph
We
примем минимальный уровень световой мощности, необходимый,
чтобы переключить структуру с простым управляющим электро-
дом,
(4-13)
_4nVE(lTv/q)(\ ^рпр)
ор‘ T]<?ps[l+21n(/-s/ri)]
(4.14)
(4-15)
для структуры на рис. 4.22, а и
w __ 2л V£(/гу/<?) (1 &рПр)
WOPt--~ F/
psT]eln(rs/r£)
для структуры на рис. 4.22, б.
Здесь VE — критический потенциал н-эмиттера, обеспечиваю-
щий устойчивое инжектирование носителей (обычно К£=0,6 В);
h — постоянная Планка; v = C|X| — частота света; С — скорость
света, см/с; X — длина волны, см: q — заряд электрона, Кл;
р5— поперечное сопротивление р-базы, Ом/см2; т]е — коэффи-
циент квантовой эффективности. Он равен отношению числа
абсорбированных фотонов, которые генерируют электронно-ды-
рочные пары, к общему числу падающих на поверхность полу-
проводника' фотонов.
Квантовая эффективность сильно зависит от структуры при-
бора, а ее максимальное значение не превышает 0,7 [Silard,
Dascalescu, 1982].
На всех управляющих электродах тиристоров высокая чув-
ствительность может быть получена только за счет снижения
стойкости dv/dt. Для структуры на рис. 4.22, а
dv 4Ve
dt
для структуры на рис. 4.22, б
(4.16)
dv
~dt
WE
Сdf>s (J's—I'D
(4.17)
9
На первый взгляд может показаться, что структура на
рис. 4.22,6 имеет более высокое значение dv/dt [Konishi, Mori,
Naito, 1980], однако квантовая эффективность структуры на
рис. 4.22, а более чем на 70% превышает квантовую эффектив-
118
р
Рис. 4.23. Структура с управляющим
электродом типа «замочная скважина»
ность структуры на рис. 4.22, б. Следовательно, первая структу-
ра имеет лучшее соотношение между уровнем переключающей
мощности и стойкостью dV/dt.
Улучшение коэффициента квантовой эффективности достига-
ется путем уменьшения толщины n-эмиттерного слоя в [Konishi,
Mori and Naito, 1980]. Например, показано, что оптимальная
толщина n-эмиттера составляет от 5 до 9 мкм, а оптимальный
уровень легирования равен (2—4) • 1019 см-3 [Konishi, Mori, Naito,
1986].
. 4.5.2. Специальные конструкции управляющих электродов
Конструкции управляющих электродов типа «замочная сква-
жина» и «полумесяц» показаны на рис. 4.23 и 4.24 [Mitlehner,
,1985]. Все эти конструкции характеризуются каналированием
носителей зарядов, индуцированных оптическим сигналом управ-
ления, между глубоко протравленными выемками и под длинной
. и тонкой частями катодного эмиттера (рис. 4.23). Из [Mitlehner,
1985] минимальная световая мощность переключения для управ-
ляющего электрода типа «замочная скважина»
W„pl=2n{hy!,q^ ~cz'w)^ (4.18)
и
dV _
~dt ~ С(/р7г7[Г+ 2L/a + (/./2г)2] ' ' ‘ ~'
В [Mitlehner, 1985] сравнивается конструкция «замочная
скважина» с конструкцией простого кругового управляющего
' электрода (рис. 4.22) и делается заключение о том, что управ-
1 ляющие электроды типа «замочная скважина» и «полумесяц»
119
n<-ps (1 +2L/a)
414
Рис. 4.25. Управляющий электрод с пла- Рис. 4.26. Управляющий электрод
парным переходом с эмиттерной канавкой
имеют оптимальные соотношения между чувствительностью пе-
реключения и dv/dt
Главный недостаток заключается в том, что их нельзя ис-
пользовать в тиристорах большой мощности, непосредственно
управляемых светом, так как необходимо изготавливать глубо-
кие выецки, чтобы каналировать заряды под эмиттером. Тонкий
процесс глубинного травления необходим для этих выемок, и их
лучше применять во вспомогательных, управляемых светом при-
борах малой площади.
Другой подход, подходящий для вспомогательного, управ-
ляемого светом прибора,— это создание планарного управляю-
щего электрода, представленного на рис. 4 25 [De Bruyne, Sitt-
ing, 1976]. Основной особенностью этого электрода является
выход на поверхность структуры главного запирающего в пря-
мом направлении перехода J2 посредством использования пла-
нарной диффузии.
В результате маскирования при диффузии акцепторов л-база
достигает поверхности кремния и образует на ней «окна». Такая
конструкция имеет очень высокий коэффициент квантовой эф-
фективности, поскольку слой пространственного заряда распола-
гается на большой площади, близкой к поверхности.
Ширина «окон» л базы выполнена таким образом, что они
смыкаются полностью при напряжении прямого смещения 100 В,
причем напряженность поля, существующая на поверхности при
более высоких напряжениях, остается низкой. Таким образом,
«окна» мало влияют на напряжение пробоя тиристора. Однако
наличие искривленного перехода в области «окон» вызывает
значительное уменьшение предельной блокирующей (запираю-
щей) способности тиристора (§2.2). Следовательно, рассмотрен-
ный электрод неприемлем для применения в высоковольтных
приборах.
Управляющий электрод,’использующийся в приборах большой
120
мощности, показан на рис. 4.26 [Ohashi. 1981]. Эта конструкция
представляет собой один из вариантов выполнения простого уп-
равляющего электрода (рис. 4.22).
Ширина p-базы прибора несколько уменьшена, чтобы улуч-
шить квантовую эффективность электрода и, следовательно,
увеличить его оптическую чувствительность. Для еще большего
увеличения квантовой эффективности и применяется просветляю-
щее покрытие, в данном случае слой S1O2. Решена также и
проблема улучшения стойкости di/di в связи с наличием в «-эмит-
тере небольшого ртверстия радиусом Гц, за счет которого уве-
личивается размер первоначально включающейся площади при-
бора.
Эта площадь определяется длиной окружности отверстия,
в то время как при его отсутствии вероятны случаи включения
очень ограниченной площади в центре управляющего электрода.
Если отношение г,,/г, изменяется в пределах от 0,5 до 0,6,
то стойкость di/dt улучшается в 1,5—1,6 раза практически без
снижения световой чувствительности. Для этого управляющего
электрода
„„ 2л(/гт/<7)(1 — ap„„)V£
Wo,,i =--------;---5--;------------------------------ ; (4.20)
I (ГТ - ZT))/ri|+2r]t.|p.,| In (r2/ri) + p,2ln (Ts/O)) I
d t Cj [ps I (rj — rr>)+Ps2 (r'i — n) I ’
где p.si и ps9 — поперечные сопротивления p-базы соответственно
в узком и широком слоях.
Весьма похожий по форме управляющий электрод описан в
[Konishi, Mori and Tanaka, 1983], но в его конструкции улучше-
ние квантовой эффективности и стойкости di/dt достигается пу-
тем вытравливания н-эмиттерной области только в тонком слое
в центре оптического электрода.
В качестве альтернативы для получения удовлетворительного
компромисса между чувствительностью переключения и стойко-
стью dv/dt были предложены различные методы и системы ком-
пенсации. За счет встраивания в тиристор такой системы обеспе-
чивается компенсация потенциала включения управляющего
электрода потенциалом аварийного переключения (от dv/dt).
[Siber,. Fullmann, Winter, 1976]’
В процессе воздействия dv/dt значительный ток течет в р-
базу тиристора и собирающий электрод (рис. 4.27), который
«отделяется» от катодного эмиттера сопротивлением /?,. Ток
p-базы благодаря распределенному емкостному току при прило-
жении dv/dt протекает через это сопротивление и создает по-
тенциал между собирающим электродом и катодным эмиттером.
При присоединении этого электрода к катодному эмиттеру свето-
121
чувствительной области управляющего электрода напряжение
прикладывается к эмиттеру управляющего электрода.
Обеспечивая соответствующее значение сопротивления Rc,
потенциал можно оптимизировать, чтобы точно скомпенсировать
прямое смещение, приложенное к эмиттеру управляющего элект-
рода, которое создается током, наведенным Ca{dv/dt) с участка
р-базы под управляющим электродом.
Теоретически существует возможность получения очень высо-
кой стойкости к эффекту dv/dt, если обеспечивается полная
компенсация. Однако с практической точки зрения имеются оп-
ределенные трудности, связанные с контролем параметра Rc и
площади перехода, в которой наводится ток, протекающий
в p-базе. Когда /?0 мало, ток включения отводится от управляю-
щего электрода и в результате снижается потенциал включения.
Рассмотренная конструкция достаточно удобна для использова-
ния во вспомогательных приборах. Ее также можно встраивать
в мощные фототиристоры с соответствующим расположением
собирающего электрода [Ohashi, Ogura, Yamaguchi, 1983].
Все рассмотренные типы управляемых светом электродов не
очень устойчивы к воздействию di/dt при включении вследствие
низкого уровня мощности включения. Для улучшения стойкости
di/dt обычно используют светочувствительный управляющий
электрод как часть многоступенчатого регенеративного управ-
ляющего электрода (рис. 4.28). Хотя конструкция регенератив-
ного управляющего электрода должна выполняться с учетом
оптимальной стойкости к эффекту di/dt, это особенно важно
для приборов, переключаемых светом, где способность выдержи-
вать большие di/dt при минимальной мощности управления
очень перспективна, для того чтобы ослабить требования высо-
кой мощности оптических источников.
Оптимальная конструкция регенеративного управляющего
электрода тиристоров со световым управлением подробно рас-
смотрена в [Temple, 1983] и [Mehta, Temple, 1985].
Межступенчатые сопротивления R\ и /?2 (см. рис. 4.28) слу-
122
Рис. 4.28. Фототиристор с регенеративным управляющим электродом:
/ — светочувствительный управляющий электрод со световым управлением, 2 — элек-
трод; 3 — усилительный управляющий электрод 4 — катод
жат для регулирования пика тока и ограничения напряжения
каждой усилительной ступени в процессе включения тиристора
[Temple, 1983]. Несмотря на то что параметры этих сопротив-
лений рассчитать довольно просто исходя из геометрии р-базы
и ее уровня легирования, при включении прибора сопротивления
р-базы становятся модулированными в связи с инжекцией элект-
ронов из п-эмиттера. Из-за модуляции уменьшаются значения
ограничивающих сопротивлений, что, естественно, накладывает
дополнительный разбаланс на управляющий электрод.
Чтобы этого избежать, электроды располагаются в области
п-эмиттера, как показано на рис. 4.28. Они оказывают влияние
на рекомбинацию инжектируемых электронов и могут эффектив-
но предотвращать модуляцию резисторов. Использование огра-
ничивающих резисторов в конструкции регенеративного управ-
ляющего электрода [Mehta, Temple, 1985] позволило создать
мощный (5 кВ) управляемый светом тиристор, который надежно
включается при очень низкой световой энергии (5 нДж).
4.6. Управляемый полем тиристор
Управляемый полем тиристор или тиристор со статической
индукцией (СИТ), строго говоря, не является тиристором. Тем
не менее, он, вероятно, больше оправдывает название «полупро-
водниковый выпрямитель», чем сам тиристор, поскольку в кон-
структивном отношении является не чем иным, как мощным
диодом с управляющей сеточной структурой.
Схематичный разрез типичного СИТ приведен на рис. 4.29.
На практике существуют две базовые конструкции: планарная
(рис. 4.29, а) и со скрытым затвором (рис. 4.29,6). В обоих
случаях основу прибора составляет диодная р — п - п + -структура,
в которой имеется р -затворная область.
Вольт-амперные характеристики при прямом смещении этого
прибора показаны на рис. .4.30. При нулевом потенциале сме-
123
Катод
Рис. 4.29. Планарная структура СИТ (а) и структура со скрытым затвором (б)
щения, прикладываемом к затвору, СИТ проводит ток как обыч-
ный p—vn — п+-диод. Если к затвору приложить достаточно боль-
шое отрицательное смещение, то прибор будет поддерживать
прямое блокирующее напряжение, поскольку слой объемного
заряда, формирующийся возле затвора, может перекрыть меж-
дусеточный канал и прекратить протекание тока.
Первые варианты этих приборов описаны в [Barandon, Lau-
renceau, 1976], [Houston е.а., 1976] и [Nishizawa, Nakamura,
1976], где блокирующая способность в прямом направлении
характеризуется коэффициентом запирания тиристора в закры-
том состоянии.
4.6.1. СИТ в закрытом состоянии
Коэффициент запирания СИТ определяется как отношение
напряжения пробоя между анодом и катодом к приложенному
потенциалу на затворе VAK/VGK и зависит от геометрии тиристо-
ра. Например, согласно [Houston е. а., 1976] дифференциаль-
ный коэффициент запирания
(4'22)
где
^ехрУ (4-23)
Здесь W— ширина области объемного заряда между анодом
и затвором; hc — половина ширины канала между ячейками за-
твора (см. рис. 4.29); Lc — длина канала.
Для получения требуемого значения коэффициента gb необ-
ходимо на стадии проектирования СИТ предусмотреть, чтобы
ячейки затвора были маленькие, а сам канал достаточно длин-
ный (затвор, полученный глубокой диффузией). Целесообразно
также увеличить и ширину слоя объемного заряда до макси-
мального значения.
124
Анодное напряжение
Рис. 4.30. Характеристики управляемо-
го полем тиристора для различных сме-
шений затвора
Рис. 4.31. Асимметричный тиристор со
статической индукцией
Все эти требования удовлетворяются при использовании
асимметричной структуры СИТ (рис. 4.31), описанной в [Bali-
ga, 1980]. За счет того что п + -буферный слой создан в п-базе,
удается уменьшить уровень легирования основной п-базы. Это,
во-первых, позволяет улучшить соотношение между падением на-
пряжения во включенном состоянии и прямым блокирующим
напряжением, поскольку уменьшается суммарная толщина п-
базы (см. §4.2), и, во-вторых, способствует увеличению распро-
странения слоя объемного заряда. В результате затвор перекры-
вает канал при низком напряжении смещения и обеспечивает
высокий коэффициент запирания.
Дальнейшее улучшение коэффициента запирания возможно
за счет уменьшения до минимума ширины канала. Однако в пла-
нарных приборах это затруднительно, так как уменьшается ка-
тодная площадь и поэтому ограничивается способность прибора
проводить ток в прямом направлении. Узкие каналы проще по-
лучить в приборах со скрытым затвором [Nishizawa, Ohtsubo,
1980].
Механизм проводимости в режиме прямого блокирования ис-
следован в [Baliga, 1981, а]. За основу была взята модель
анодного тока, протекающего через потенциальный барьер в
области канала:
/л=/оехр^И1/лп-В1/с), (4.24)
где Кд и Ус — соответственно напряжения анода и затвора;
Л, В, /0, п — постоянные, определяемые конструкцией структуры,
но не зависящие от тока или напряжения.
Используя вышеприведенное выражение в равенстве, уста-
навливающем взаимосвязь между коэффициентом запирания и
смещением управляющего электрода и анодным током, можно
125
получить
(4.25)
Из этого выражения видно, что коэффициент запирания сильно
зависит от смещения управляющего электрода и почти не зави-
сит от анодного тока.
Достоинством СИТ является то, что его структура не облада-
ет регенеративными свойствами тиристора (результат взаимо-
действия двух транзисторов). Когда СИТ находится в закрытом
состоянии, его прямое блокирующее напряжение и коэффициент
запирания увеличиваются с ростом температуры. Прибор сохра-
няет работоспособность при температурах до 200° С, а обычные
тиристоры только до 125° С.
Исследования эффектов dv/dt и прямого пробоя показали,
что СИТ под их воздействием включается в проводящее состоя-
ние. Это обусловлено протеканием в слое затвора тока, который
сильно смещает затвор в противоположном направлении, т. е.
уменьшает эффективный потенциал затвора. У планарного СИТ
обратное смещение будет складываться с падением напряжения
на последовательном внешнем сопротивлении в цепи затвора,
хотя внутреннее сопротивление затвора очень мало.
В приборах со скрытым затвором ситуация значительно ме-
няется, поскольку сопротивление самого затвора значительно
больше и даже при нулевом внешнем сопротивлении цепи затво-
ра обратное смещение имеет место при воздействии эффекта
dv/dt или прямого пробоя.
Это ограничивает рабочую частоту СИТ со скрытым затво-
ром по сравнению с планарным СИТ, но, как будет показано
ниже, возникает много ограничений, обусловленных особенностя-
ми выключения этих приборов.
4.6.2. Включение тиристора со статической индукцией
Для того чтобы включить СИТ в состояние проводимости,
необходимо убрать смещение или сместить в прямом направле-
нии затвор прибора. Это приводит к исчезновению области
объемного заряда и потенциального барьера в зоне канала.
Если размеры затвора очень малы и n-база слабо легирована,
то требуется прямое смещение затвора для полной гарантии того,
что каналы не перекроются и не произойдет повышенного паде-
ния напряжения на тиристоре в открытом состоянии.
Для обеспечения высокой токовой нагрузки и небольшого
падения напряжения в открытом состоянии СИТ должен иметь
большую площадь катода. В планарных приборах катодная пло-
щадь несколько ограничена, поскольку ширина катода примерно
равна ширине канала. С целью получения приемлемого уровня
проводимости в планарных СИТ необходимо использовать кон-
струкцию с очень тонкими полосками катода и затвора.
126
По технологическим причинам такая геометрия не может
быть реализована на большой площади, поэтому планарные СИТ
имеют небольшие рабочие токи. В приборах с утопленным затво-
ром ситуация меняется, так как катодный эмиттер занимает
большую часть площади и прохождение тока ограничивается
только самим затвором.
В [Adler, 1978] приведены результаты исследования двух-
мерной модели СИТ со скрытым затвором. Оказалось, во-первых,
что р+-затвор блокирует протекание электронного тока, посколь-
ку эффективная проводящая область уменьшается, и, во-вторых,
дырочный ток от анода в основном проходит через затвор, а не
через канал. Поэтому снижается уровень модуляции проводимости
каналов. Тем не менее при правильном выборе уровня легиро-
вания р+-затвора прибор со скрытым затвором обладает значи-
тельно меньшим падением напряжения в открытом состоянии,
чем в планарном варианте.
Снижение уровня легирования затвора уменьшает падение
напряжения в открытом состоянии тиристора. Однако существует
ограничение, по уровню легирования, обусловленное проблемой
обратного смещения затвора при выключении.
Дополнительным преимуществом с точки зрения такой спо-
собности является высокая рабочая температура прибора и в
случае скрытого затвора прекрасный тепловой контакт, который
может быть осуществлен с катодным эмиттерным слоем прибора.
4.6.3. Выключение тиристора со статической индукцией
Если затвор сместить в обратном направлении, когда СИТ
находится в проводящем состоянии, то прибор выключается.
Ток, протекающий от анода к катоду, в этом случае ответвляется
в затвор, который восстанавливает запирающие свойства как
обычный диод до тех пор, пока слой объемного заряда вновь не
восстановится и анодный ток полностью не прервется. х
Следует отметить два главных фактора, влияющих на спо-
собность СИТ к выключению: во-первых, время жизни неоснов-
ных носителей тока и, во-вторых, последовательное сопротивле-
ние затвора. Время жизни неосновных носителей контролируется
таким же образом, как и в обычных тиристорах. Применение
метода регулирования с помощью электронного облучения [Bali-
ga, 1981] дает хороший результат с точки зрения времени вы-
ключения и не влияет на другие характеристики прибора, за
исключением падения напряжения в открытом состоянии.
Значение последовательного сопротивления затвора сказы-
вается гораздо существеннее на способности СИТ к выключе-
нию, поскольку во время выключения значительная часть анод-
ного тока протекает через затвор, вызывая его сильное обратное
смещение в тех местах, где сопротивление затвора велико. У пла-
127
парных СИТ этой проблемы не существует, так как ввиду метал-
лизации затвора его сопротивление незначительно. Приборы со
скрытым затвором имеют высокое сопротивление, и поэтому их
способность к выключению весьма ограниченна. Чтобы решить
эту проблему, необходимо длину затвора делать как можно
меньше, например, не больше 200 мкм [Nishizawa, Tamamushi,
Nonaka, 1984а, 1984в]. В этом случае быстрое выключение СИТ
достигается за счет увеличения их стоимости в процессе произ-
водства.
4.6.4. Включаемый светом СИТ
По аналогии с обычным управляемым светом тиристором
существует СИТ, чувствительный к свету (рис. 4.32).
Его управляющий электрод очень похож на управляющий
электродЪланарного управляемого светом тиристора (см. п. 4.5.2).
Свет с оптимальной длиной волны направляется на область
затвора. Благодаря большой площади перехода взаимодействую-
щий с затвором свет генерирует определенное количество элект-
ронно-дырочных пар, которые устраняют потенциальный барьер
в области канала и позволяют каналу проводить ток.
Несмотря на то что включаемый светом СИТ весьма сложен
по своей структуре, он обладает значительными преимуществами
по сравнению с обычными управляемыми светом тиристорами
[Nishizawa, Tamamushi, Nonaka, 1984а, 1984в].
4.7. Триак
Триак — это интегральное соединение двух встречно-парал-
лельных тиристоров [Gentry, Scace. Flowors, 1965]. Он пред-
ставляет собой трехэлектродный пятислойный прибор, который
может блокировать или проводить ток в любом направлении при
наличии одного управляющего электрода.
л
р
TZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ
Рис. 4.33. Базовая структура триака
Рис. 4.32. Управляемый светом СИТ
128
Рис. 4.34. Вольт-амперная характеристика триака
С помощью триака, таким образом, можно легко управлять
мощностью переменного тока. Базовая структура триака пока-
зана на рис. 4.33. Он состоит из двух тиристоров А и В с общим
электродом и управляющим электродом УЭ. Слои металлизации
эмиттеров N2 и N4 простираются соответственно на слои Р2 и Р1
так, что последние являются одновременно контактами катодного
и анодного эмиттеров.
Вольт-амперная характеристика триака (рис. 4.34) симметрич-
на относительно начала координат. Прибор может работать либо
в первом, либо в третьем электрических квадрантах (с положи-
тельными выводами 1 или 2).
В любом квадранте триак может включаться и положитель-
ным и отрицательным управляющими импульсами. Прибор
имеет четыре самостоятельных режима включения с помощью
управляющего электрода: первый квадрант с положительным
управлением, первый квадрант с отрицательным управлением,
третий квадрант с положительным управлением и третий квадрант
с отрицательным управлением.
4.7.1. Режимы включения триака
4.7.1.1. Первый квадрант с отрицательным сигналом управ-
ления. В этом режиме вывод 1 имеет отрицательный потенциал
относительно вывода 2, а управляющий электрод отрицательный
потенциал относительно вывода 1. Переход под управляющим
электродом, таким образом, смещен в прямом направлении и
инжектирует электроны в слой Р2. Переход J4 ведет себя как
инжектирующий управляющий электрод (см. п. 3.5.4), т. е. инжек-
тированные электроны движутся в базу N1, вынуждая слой Р1
инжектировать дырки, которые приводят к переключению ти-
ристора А во включенное состояние. Тиристор В не работает
в течение этого процесса, поскольку J5 смещен в обратном
1 направлении и не может проводить ток.
129
4.7.1.2. Первый квадрант с положительны^ сигналом управ-
ления. В этом режиме вывод 1 имеет отрицательный потенциал
относительно вывода 2, и переход под управляющим электродом
смещен в обратном направлении. Поскольку металлизация управ-
ляющего электрода заходит на слой Р2 (рис. 4.33) и этот электрод
находится под более высоким потенциалом, он инжектирует дырки
в слой Р2. Таким образом, управляющий электрод ведет себя
как обычный тиристорный управляющий электрод, инжектирую-
щий дырки, повышающие потенциал области Р2 и приводящие
к инжекции электронов.
4.7.1.3. Третий квадрант с отрицательным сигналом управ-
ления. В этом режиме вывод 2 имеет отрицательный потенциал
относительно вывода 1 и переход под управляющим электродом
смещен в прямом направлении. Управляющий электрод функцио
нирует как так называемый удаленный управляющий электрод,
т. е. инжектирует электроны в слой Р2. Эти электроны собира-
ются на переходе J2 и снижают потенциал слоя N1 относительно
Р2. Ток начинает протекать через переход J2, тиристор В пере-
ключается в проводящее состояние. Следует иметь в виду, что
хотя переход J2 смещен в прямом направлении, он может действо-
вать какжоллектор электронов, диффундирующих через базу Р2.
Это связано с тем, что электрическое поле в р—и-переходе
всегда имеет одно направление (и при обратном смещении, и при
небольшом прямом смещении), что обусловлено наличием встроен-
ного поля. Более того, напряженность поля остается высокой
при прямом смещении, поскольку слой объемного заряда очень
узкий.
4.7.1.4. Третий квадрант с положительным сигналом управ-
ления. При этом режиме вывод 2 имеет отрицательный потен
циал относительно вывода /, а р—«-переход J4, расположенный
под управляющим электродом, смещенным в обратном направле-
нии, снова функционирует как удаленный управляющий электрод.
Поскольку управляющий электрод смещен в положительном
направлении, потенциал слоя Р2 увеличивается, что приводит
к прямому смещению эмиттерного перехода J3. Этот переход
начинает инже’ктировать электроны, которые захватываются
переходом J2.
Затем включение прибора происходит аналогичным образом,
как и в случае ранее рассмотренного режима с отрицательным
управляющим сигналом. Тиристор В находится в состоянии про-
водимости, а эмиттер N2 больше не участвует в процессе про-
водимости, так как дырочный ток течет к слою металлизации.
Значения управляющего тока, требуемые для включения
триака, неодинаковы в различных режимах работы управляющего
электрода. Как правило, минимальный ток управления-спрямле-
ния характерен для обычного режима работы управляющего
электрода (первый квадрант) и максимальный — для удален-
130 •
a — верхняя часть; б — сечение; в — нижняя часть
ного управляющего электрода при относительно слабой эффек-
тивности собирания смещенного в прямом направлении перехода
J2 (третий квадрант).
4.7.2. Практические конструкции и коммутирующий эффект
dv/dt
На практике триаки конструируются с центральным распо-
ложением управляющего электрода. На рис. 4.35 представлен
типичный триак средней мощности. Как и в обычном тиристоре,
катодные эмиттеры обоих тиристорных секций снабжены эмит-
терными шунтами, обеспечивающими стойкость к dv/dt и эффекту
переключения по аноду.
Тем не менее целесообразно более подробно рассмотреть
проблему эффекта dv/dt из-за влияния заряда, накопленного
131
Рис 4.36. Триак во время коммутации:
1 — накопленный заряд; 2 — обратный ток
в приборе к моменту коммутации [Bergman, 1966]. Триак
используется в мощных схемах переменного тока, где состояние
проводимости в течение одного полупериода сразу сменяется сос-
тоянием проводимости в другом направлении или требуется
восстановление закрытого состояния. При работе в схеме с индук-
тивной нагрузкой напряжение, прикладываемое к триаку, харак-
теризуется очень высокими значениями dv/dt [Essom, 1967],
которое в» предшествующий состоянию проводимости полупериод
может привести к разрушению триака.
В обычном тиристоре заметная часть заряда остается в базо-
вой области в конце этапа проводимости. Когда вновь прикла-
дывается напряжение источника, этот заряд быстро экстраги-
руется. Поэтому разрушение прибора не исключается и на этапе
выключения, если повторное напряжение прикладывается слиш-
ком рано и dv/dt очень высоко. Для триаков проблема усложня-
ется тем, что оба тиристора физически связаны друг с другом.
Механизм выхода прибора из строя показан на рис. 4.36.
Допустим, что тиристор А находится в проводящем состоянии, и,
когда ток нагрузки меняет направление, необходимо, чтобы триак
блокировал напряжение, иначе говоря, вывод 1 становился поло-
жительным относительно вывода 2. В момент изменения направле-
ния тока в тиристоре остается накопленный заряд, и по мере
того как вывод 1 становится положительным, этот заряд «вытя-
гивается» из базовых областей, создавая условия для протека-
ния обратного тока между выводом 1 и анодом тиристора А.
Если ток имеет достаточно большую амплитуду, то он может
увеличить потенциал слоя Р1 возле слоя N4, заставляя эмиттер
N4 инжектировать электроны, и тем самым переводит тиристор
во включенное состояние, приводя к разрушению триака в ре-
жиме коммутации. Амплитуда обратного тока будет определять-
ся скоростью, с которой напряжение вторично прикладывается
к триаку, и зависит как от времени рассасывания заряда, так
и от емкостного тока перехода.
Решение этой проблемы заключается в использовании по-
132
вишенной плотности шунтов эмиттера, как в обычном тиристоре,
и в создании" изолирующей области между двумя тиристорными
областями аналогично тиристорной и диодной областям в тиристо-
ре с обратной проводимостью (см. § 4.4).
Тем не менее в целом проблемы коммутирующего эффекта
dv/dt накладывают определенные ограничения на напряжения
(менее 1200 В) и токи (менее 100 А) триака. Другой их недоста-
ток связан с тем, что триаки почти не применяются в мощных
схемах с низкими значениями di/dt (третий квадрант), из-за
того, что обычный регенеративный управляющий электрод и раз-
ветвленный управляющий электрод непосредственно не могут
использоваться.
4.8. Неуправляемый р—п—р—«-переключатель
Такие приборы проектируются для переключения тиристора
из закрытого состояния в проводящее, когда достигается опре-
деленное прямое напряжение или dv/dt. Их называют по-разному,
например: диоды Шокли, обратно-проводящие диоды, тиристо-
ры с обратным блокирующим диодом, диоды-переключатели и ди-
одные тиристоры, но чаще всего используется термин «диодные
тиристоры».
Эти тиристоры применяются в качестве ключевых элементов
в схемах импульсных модуляторов [Chu, Johnson, Brewster,
1976], [Schroen, 1970], как защитные приборы в телефонных
системах [Neilson, Duclos, 1984] и как компоненты, защищающие
от перенапряжений высоковольтные тиристоры [De Вгнупе е. а.,
1977].
Структура диодного тиристора схематично представлена на
рис. 4.37, а. По конструкции он идентичен обычному тиристору,
но не содержит управляющего вывода. Вольт-амперная характе-
ристика прибора (см. рис. 4.37, б) также очень похожа на харак-
Рис. 4.37. Диодный тиристор:
а—сечение; б—вольт-амперная характеристика
133
Рис. 4.39. Тиристор с интегральным защитным диодным тиристором:
/ — зоны с контролируемым сопротивлением; 2 — электроды демодуляции; 3 — усилива-
ющий УЭ
теристику обычного тиристора. Прибор переключается в прово-
дящее состояние, когда его напряжение превысит напряжение VB0.
Главной особенностью при проектировании диодных тиристо-
ров, которые отличаются от обычных тиристоров значением
прямого напряжения переключения, является точная реализация
их структуры. Основные факторы, определяющие прямое напря-
жение переключения тиристора, обсуждались ранее. Так, в п. 2.2.2
приводилось следующее выражение:
Vво — Vв (1 —апрп ~арПр)1/Пв > (4.26)
устанавливающее взаимосвязь между прямым напряжением
переключения VB0, напряжением лавинного пробоя VB перехода
J2 и коэффициентами передачи составных транзисторов прибора.
При проектировании диодных тиристоров одна из этих трех
переменных с успехом может использоваться для контроля VB0,
например, VB0 зависит от параметров сопротивления п-базы
тиристора, апрп изменяется при различной толщине слоя р-базы
или геометрии катодных шунтов, а арпр определяется толщиной
п-слоя.
В случае приборов, рассмотренных в [Chu, Johnson, Brewster,
1976], диодные тиристоры проектировались для переключения
в проводящее состояние с площадью эффекта dv/dt, а не путем
превышения их напряжения по сравнению с Гво. В этом случае
геометрия катодных шунтов становится критичной для уровня
переключения. Катодные шунты также определяют уровень тока
переключения /во, этот параметр можно вычислить для некото-
рых специальных видов геометрии катодных шунтов, если исполь-
зовать выражения из § 3.4.
Диодные тиристоры иногда объединяются с высоковольтными
тиристорами. В принципе это просто монолитная реализация
134
схемы, представленной на рис. 4.38, где мощный тиристор, сопро-
тивление и диодный тиристор объединены в одном кристалле
[Temple, 1981, 1982] и [Przybysz, Schlegel, 1981].
На рис. 4.39 приведена одна из возможных конструкций ти-
ристора. Заметим, что Кво-область легко реализуется в струк-
туре диодного тиристора. В этом случае уровень напряжения
Кво устанавливается исходя из ширины р-базы. Эта область
окружена областью с высоким омическим сопротивлением, которая
поддерживается в немодулированном состоянии вблизи управ-
ляющего электрода тиристора, что аналогично сопротивлению,
использованному в структурах, чувствительных к свету
(см. п. 4.5.2), и выполняет такие же функции по обеспечению защи-
ты при высоких di/dt, когда области первоначального включения
сравнительно малы. Как было показано, регенеративный управ-
ляющий электрод и последующая область сопротивления исполь-
зуются для обеспечения высоких значений di/dt при включении.
Интегральная защита по напряжению используется для тиристо-
ров, работающих в электрически сложных условиях, например
в высоковольтных блоках ВЛ постоянного тока, где вероятны
сильные перенапряжения и условия высоких dv/dt.
Следующей разновидностью р—п—р—n-прибора, не содержа-
щего управляющего электрода, является диак. Это двунаправ-
ленный диодный тиристор, который обладает способностью пере-
ключаться в обоих направлениях: прямом и обратном. В конструк-
ции диака объединены два включенных встречно-параллельно
диодных тиристора. Они чаще всего применяются в качестве
переключающих элементов триаков в низковольтных схемах, где
требуется обеспечить уровень напряжения VB0 от 20 до 40 В
(см., например, [Blicher, 1978]).
4.9. Гибридные соединения полевых транзисторов и тиристоров
Комбинация тиристора и МОП- (металл — оксид — полупро-
водник) транзистора позволяет создать несколько новых типов
мощных приборов. Рассмотрим две наиболее распространенных
из них — тиристор с шунтами, управляемыми МОП-транзисто-
рами [Stoisiek, Patalong, 1985], и тиристор — МОП-транзистор
[Leipold е. а., 1980].
4.9.1. Шунты, управляемые МОП-транзисторами
В тиристоре катодные шунты используются для повышения
стойкости dv/dt. Введение эмиттерных шунтов ухудшает другие
параметры приборов, а именно: падение напряжения во вклю-
ченном состоянии, время включения и чувствительность к сигна-
лу управления. При наличии в каждом катодном шунте эле-
ментарного МОП-транзистора появляется возможность эффек-
135
Рис. 4.40. Катодные эмиттерные шунты, управляемые МОП-транзистором:
/ — катод; 2 — МОП-управляющий электрод; 3 — зашунтированная область; 4 — анод
Рис. 4.41. Структура тиристор — МОП-транзистор
тивно включать или выключать шунты, подавая сигнал управ-
ления на затвор транзистора,
Катодные шунты, управляемые МОП-транзисторами, показаны
на рис. 4.40. Катодный эмиттер тиристора состоит из отдельных
элементов, изолированных от шунтов участками р-базы. Управ-
ляющий электрод с МОП-транзистором располагается над этой
изолирующей областью р-базы, и, когда МОП-управляющий
электрод смещается в прямом направлении, происходит форми-
рование n-канала, электрически связывающего эмиттер и шунти-
рующую область.
Такую структуру можно также предложить для осуществле-
ния запирания тиристора по управляющему электроду [Temple,
1984]. Когда шунты включены, ток будет протекать в основном
через них, а не через катодный эмиттер, что приводит к восста-
новлению эмиттерного перехода; и прибор выключается. Про-
дольный ток в p-базе под эмиттером будет смещать эмиттер
в прямом направлении. Тем не менее для достижения полного
выключения прибора сопротивление р-базы должно быть малым.
Это предполагает высокий уровень легирования в p-базе и неболь-
шие продольные размеры катодного эмиттера.
Таким образом, применение шунтов, управляемых МОП-тран-
зистором, позволяет либо улучшить характеристики включения-
выключения обычных быстродействующих тиристоров, либо
отключить тиристор с помощью МОП-транзисторных шунтов.
Последнее предпочтительнее в случае использования комбинации
тиристор — МОП-транзистор.
4.9.2. Тиристор — МОП-транзистор
Прежде всего необходимо отметить, что этот прибор можно
классифицировать только как тиристор [Leipold е. а., 1980],
[Temple, 1984]. По своей конструкции (рис. 4.41) тиристор —
136
МОП-транзистор очень похож на диффузионно-планарный тирис-
тор с МОП-управляющим электродом, выполненным между ка-
тодным эмиттером тиристора и п-базой.
Прибор во включенном состоянии (МОП-управляющий
электрод положительный, катод отрицательный) имеет два рабо-
чих режима. Если его ток ниже тока схватывания тиристора, то
вольт-амперная характеристика прибора такая же, как у МОП-
транзистора — последовательно включенного прямо смещенного
диода. Если же ток превышает ток схватывания тиристора, то
прибор обладает свойствами тиристора. В выключенном состоя-
нии прибор функционирует как тиристор, блокирующий прямой
и обратный ток.
Рассмотренные конструкции тиристор — МОП-транзистор вы-
пускаются под различными названиями: IGT, GEMFET и
COMFET. Однако это одни и те же приборы, отличающиеся
друг от друга только своей геометрией, с одинаковым по всей
площади базовым элементом.
Тиристорное «подхватывание» нежелательно, поскольку для
высокочастотных применений более предпочтительно полное
управление с помощью управляющего электрода. Для предотвра-
щения эффекта схватывания надежно шунтируется катодный
эмиттер (рис. 4.41); используется усиленное легирование в области
p-базы, что приводит к значительному снижению коэффициента
передачи п—р—п-транзистора.
Следующая проблема при конструировании этих приборов
заключается в том, что благодаря инжекции неосновных носи-
телей из р-анода его время выключения не превышает время
выключения МОП-транзистора. Это обусловлено наличием анод-
ного р-эмиттера, что, в свою очередь, приводит к снижению
падения напряжения в открытом состоянии, поскольку как в
обычном тиристоре падение напряжения в n-базе снижается
благодаря модуляции проводимости за счет инжектированных
дырок.
Эта проблема решается так же, как и в случае быстродейству-
ющих тиристоров, например, за счет их облучения электронами
[Baliga, 1983, в]. Без регулирования времени жизни носителей
'заряда время выключения находится в пределах от 10 до 50 мкс,
а при облучении электронами оно снижается до 200 нс. Однако
при сильном облучении возрастание падения напряжения в откры-
том состоянии становится чрезмерным. Несмотря на увеличенное
падение напряжения, тиристоры — МОП-транзисторы имеют
гораздо лучшие характеристики в открытом состоянии, чем
мощные МОП-транзисторы.
Глава 5
ПРОИЗВОДСТВО МОЩНЫХ ТИРИСТОРОВ
Типичная последовательность технологического процесса из-
готовления мощных тиристоров показана на рис. 5.1.
Исходным материалом служит высокочистый бездислокаци-
онный кремний n-типа, полученный способом зонной плавки.
В нем за счет диффузии акцепторной примеси формируют основ-
ные переходы прибора, блокирующие напряжение, а затем про-
водят диффузию донорной примеси для создания эмиттера. На
заключительной стадии изготовляют металлические контакты,
снимают фаску и пассируют поверхность высоковольтных пере-
ходов. Готовый базовый элемент монтируют в соответствующем
корпусе, обеспечивающем присоединение сильноточных выводов,
теплоотвода и защиту элемента от действия высоких напряже-
ний.
Существует почти столько же вариантов проведения данных
базовых технологических процессов при изготовлении мощных
тиристоров, сколько и типов приборов.
Не вызывает сомнений необходимость применения различных
процессов для реализации специфичной геометрии со стороны
анода асимметричных и запираемых тиристоров, симисторов,
однако и обычные тиристоры можно изготовлять с использова-
нием разнообразных технологий. Целью данной главы является
рассмотрение многих процессов, нашедших практическое приме-
нение при производстве мощных тиристоров, без знания которых
нельзя не только сконструировать тиристоры, но и понять прин-
ципы их работы.
Хотя некоторые технологические процессы, применяемые при
изготовлении мощных тиристоров и производстве других полу-
проводниковых приборов, например транзисторов, диодов и ИС,
на первый взгляд похожи, имеется и несколько существенных
отличий.
1. Толщина самих кремниевых пластин определяется требуе-
мыми напряжением пробоя и потерями в проводящем состоянии,
поэтому при изготовлении мощных тиристоров применяются и до-
вольно толстые пластины. В связи с этим могут возникнуть проб-
лемы при обработке пластин, исключающиеся, например, при
производстве ИС, когда толщина пластин определяется с учетом
удобств при их изготовлении и транспортировке.
2. В случае мощных тиристоров необходимы глубокие диффу-
зионные переходы, позволяющие реализовать высокие допусти-
мые напряжения. В сочетании с большими площадями, на кото-
рых формируются приборы, это обусловливает повышенные тре-
бования к однородности процесса диффузии.
3. Для получения приборов с приемлемыми потерями мощно-
сти ‘требуется обеспечить большое время жизни неосновных но-
138
Рис. 5.1. Типичная последовательность технологического процесса при изготовле-
нии мощных тиристоров
сителей заряда в структуре готового прибора. Это достигается
за счет глубокой диффузии и минимального загрязнения в про-
цессе обработки, исключающего введение примесей, обусловли-
вающих уменьшение времени жизни носителей.
4. В случае активной структуры используются обе поверх-
ности кремниевой пластины. Условия нерабочей стороны полу-
проводниковой пластины с ИС обычно не критичные, поэтому
допустимы незначительные дефекты, связанные, в частности,
с оборудованием для транспортировки пластин. В мощных тирис-
торах, и в первую очередь в приборах с конструктивными эле-
139
ментами на обеих сторонах пластины, например запираемых ти-
ристорах и симисторах, подобные дефекты на нерабочей стороне
пластины неприемлемы.
5. Процессы металлизации, изготовления контактов и монта-
жа еще более специфичны для мощных приборов. В связи с вы-
сокими рабочими напряжениями необходимы специальная за-
щита фаски и пассивация. Из-за наличия сильных токов при
функционировании прибора его обширные области подвергаются
воздействию высоких температур, что обусловливает повышенные
требования к уменьшению в приборе эффектов, связанных с
термической усталостью. И, наконец, металлизация должна
обеспечивать создание омических контактов к кремнию с пони-
женным сопротивлением, чтобы свести к минимуму падение на-
пряжения в открытом состоянии.
В свяви с ограниченными возможностями в данной главе
обсуждаются отнюдь не все проблемы, связанные с изготовле-
нием приборов. Дополнительную информацию можно почерпнуть,
например, из [Ghandi, 1968] и [Cochlaser, 1980].
5.1. Производство исходного кремния
♦
Высокочистый кремний получают методами Чохральского или
зонной плавки.
5.1.1. Изготовление кремния методом Чохральского
При использовании процесса Чохральского стержень или сли-
ток кремния вытягивается из находящегося в'тигле расплава
кремния. Данный метод очень чувствителен к нежелательным
примесям в виде углерода и кислорода. Углерод содержится в
основном материале, а растворение в кремнии кислорода (мак-
симальное содержание 1018 см-3), связано с диоксидом кремния,
из которого изготовлен тигель.
Кислород и углерод присутствуют в кремнии в неактивной
форме, т. е. не являются легирующими примесями. Углерод со-
держится в качестве преципитатов карбида кремния, а кислород
в виде междоузельных атомов или кластеров SiO2. Тем не менее
как кислород, так и углерод могут обусловливать преждевре-
менный пробой приборов и образование участков перегрева.
При содержании углерода свыше 5ХЮ16 см-3 возможна дег-
радация характеристик пробоя тиристора в прямом и обратном
направлении, связанная с искажением поля в результате появле-
ния дефектов кристалла из-за наличия углерода. В тех случаях,
когда для регулирования времени жизни неосновных носителей
заряда применяется диффузия золота и наблюдается его нерав-
номерное внедрение в кремний, также не исключается ухудшение
проводимости в открытом состоянии и характеристик переклю-
чения тиристора [Kolbesen, Muhlbauer, 1982].
140
Рис. 5.2. Устройство для изготовления кремния
методом зонной плавки:
/ — камера 2 — кремниевый стержень; 3 — спирали
для ВЧ нагрева; 4 — зона расплава
Кислород оказывает аналогичное
влияние на свойства тиристора: на-
рушения режима работы связаны с
формированием макропреципитатов
SiC>2, вызывающих искажение поля и
образование участков перегрева в ре-
зультате геттерирования примесей в эти
области [Ravi, 1981].
Другим недостатком кремния, полу-
ченного методом Чохральского, явля-
ется разброс значений удельного сопро-
тивления, обусловленный неравномер-
ностями на границе раздела жид-
кость — твердая фаза в процессе роста.
Отклонения от «нормы» разброса воз-
растают с увеличением параметров удельного сопротивления.
Типичным является разброс свыше +20%.
Наиболее существенным недостатком кремния, изготовлен-
ного этим методом и предназначенного для мощных приборов,
является сложность получения материала с удельным электриче-
ским сопротивлением свыше 50 Ом-см. Это объясняется трудно-
стями, связанными с предотвращением загрязнения из тигля в
процессе выращивания кристаллов кремния. Поскольку для мощ-
ных тиристоров требуется кремний с удельным сопротивлением
выше 50 Ом-см, метод Чохральского для его получения не ис-
пользуется.
5.1.2. Изготовление кремния методом зонной плавки
В отличие от метода Чохральского ^ри получении кремния
способом зонной плавки тигель не применяется и поэтому проб-
лемы, связанные с его загрязнениями, полностью исключаются.
Схематически устройство, в котором осуществляется процесс
зонной плавки, показано на рис. 5.2. Исходным материалом в
этом случае является кремниевый стержень, изготовленный пу-
тем разложения трихлорсилана в присутствии водорода. Стер-
жень помещают в герметичную камеру с пониженным давлением
и формируют в нем зону расплава путем нагрева.
При движении стержня через ВЧ контур вместе с ним с одно-
го конца на другой перемещается и зона расплава. Одновре-
менно переносятся и в конечном итоге удаляются из кремния
и нежелательные примеси. Поскольку зона расплава не контак-
тирует с каким-либо другим материалом кроме находящегося в
камере газа, в кремний вводится лишь незначительное количест-
во примесей.
141
Рис. 5.3. Изменение радиального удельного сопротивления кремния, изготовлен-
ного различными методами:
/ — зонная плавка; 2 — легирование за счет нейтронной ядерной реакции
После выполнения следующих один за другим проходов вдоль
стержня содержание примесей в кремнии становится очень низ-
ким, что ’позволяет обеспечивать высокое удельное электриче-
ское сопротивление. Благодаря сочетанию повышенного удель-
ного электрического сопротивления и незначительного содержа-
ния примесей, в первую очередь кислорода и углерода, кремний,
полученный методом зонной плавки, становится почти единст-
венным материалом, используемым для изготовления мощных
тиристоров.
С помощью данного метода получают кремний п- и р-типов.
Легирующие примеси добавляются в кремний в процессе зонной
плавки путем введения в рабочую камеру фосфина (легирование
фосфором) или диборана (легирование бором).
5.1.3. Легирование кремния за счет нейтронной ядерной
реакции
Кремний, полученный методом зонной плавки и легированный
традиционными способами, имеет один существенный недостаток:
возможен чрезмерный разброс значений радиального сопротив-
ления из-за неравномерного внедрения легирующей примеси в
процессе плавки. На рис. 5.3 показаны, в частности, типичные
колебания удельного электрического сопротивления кремния,
изготовленного методом зонной плавки. Эти колебания носят
почти периодический характер и называются стратами [Ravi,
1981]. Максимальная амплитуда колебаний достигает ±25%-
Мощный тиристор с идеальными характеристиками характе-
ризуется низким напряжением в открытом состоянии и высоким
напряжением обратного пробоя. Как было показано в п. 3.3.2,
142
такое оптимальное сочетание имеет место при минимальных ко-
лебаниях значения удельного электрического сопротивления.
В этом случае допускается наименьшая толщина n-базы и со-
ответственно самое низкое напряжение в открытом состоянии
при заданном пробивном напряжении.
Поэтому применение в середине 70-х годов при изготовлении
промышленного кремния метода легирования за счет нейтронной
ядерной реакции, обеспечивающего в узком диапазоне колебание
значений удельного электрического сопротивления и малые стра-
ты, позволило оптимизировать конструкцию и существенно улуч-
шить характеристики тиристоров [Chu, Jonson, Karlstadt, 1977],
[Platzoder and Loch, 1976].
Данный способ легирования основан на частичном превра-
щении кремния в фосфор в соответствии с ядерной реакцией
30Si(п, у) 31 Si 2^4 > 3'Р. (5.1)
Стержни кремния, полученные методом зонной плавки и под-
вергнутые очистке при нескольких проходах, в результате чего
их сопротивление становится очень высоким (выше 1000 Ом-см),
подвергаются воздействию тепловых нейтронов в ядерном ре-
акторе.
Изотоп 30Si, содержание которого в кремнии составляет около
3%, под действием испускаемых тепловыми нейтронами гамма-
квантов превращается в изотоп 31 Si. Нестойкий изотоп 31 Si, в
свою очередь, переходит в изотоп фосфора 31Р с испусканием
бета-лучей и периодом полураспада 2,6 ч.
Высокоэнергетичные нейтроны проникают в кремний на боль-
шую глубину, что обусловливает превращение кремния в фосфор
равномерно по всему стержню. В результате такого равномер-
ного распределения фосфора обеспечиваются очень незначитель-
ные (±5%) отклонения значений радиального удельного элект-
рического сопротивления по всему стержню [Janus, Malmros,
1976], что показано на рис. 5.3. Среднее знАчение удельного со-
противления или уровень легирования определяется полученной
нейтронной дозой, и ее можно контролировать с высокой точ-
ностью.
Отрицательным побочным эффектом облучения нейтронами
является введение в кремний радиационных дефектов, обуслов-
ленных смещением атомов кремния высокоэнергетичными нейт-
ронами с образованием вакансий. При этом уменьшается время
жизни неосновных носителей заряда и их подвижность в крем-
нии. Данные радиационные дефекты необходимо удалять путем
отжига.
При отжиге не только ликвидируются вакансии, но и обеспе-
чивается переход атомов фосфора в электрически активное со-
стояние замещения вместо их расположения по междоузлиям.
143
Отжигу обычно подвергается готовый стержень или слиток.
Требуемая стабилизация значения удельного электрического
сопротивления кремния достигается за счет отжига при темпе-
ратуре 750° С продолжительностью менее 2 мин [Janus, Malm-
ros, 1976].
Поскольку температуры при проведении диффузии, последу-
ющего технологического процесса изготовления мощных тирис-
торов, значительно выше 750° С, высказывается мнение, что дан-
ный отжиг кремния не является необходимым и фактически
может обусловливать пониженный выход приборов из-за высоких
токов утечки [Selim, Chu, Jonson, 1983]. Даже отожженный
кремний отличается по своим свойствам, если он подвергался
термообработке при различных температурах. В [Alm, Fiedler,
Mikes, 1984] показано, что у кремния, отжиг которого осуществ-
ляется цри температуре 1200° С, имелись дефекты кристалличе-
ской решетки, а при последующей обработке концентрировались
примесные атомы. Это приводило к появлению больших токов
утечки в готовых приборах. Поэтому необходима специальная
очистка кремниевых пластин.
В то же время у кремния, подвергнутого отжигу при темпе-
ратуре §00° С, указанные дефекты отсутствовали. Тем не менее
в целом изготовление кремния, легированного за счет нейтрон-
ной ядерной реакции, и его использование для производства
мощных приборов находят все более широкое применение [Gold-
berg, 1981], [Larrabee, 1984], [Meese, 1979].
5.1.4. Изготовление кремниевых пластин
Из слитков кремния получают пластины соответствующей
толщины и диаметра. Первой стадией этого процесса является
бесцентровое шлифование слитка до достижения требуемого ди-
аметра. В некоторых случаях на слитке делается срез, который
необходим для определения главного направления в кристалли-
ческой решетке кремния или для удовлетворения некоторых тре-
бований при его последующей механической обработке.
После шлифования слиток разрезают на пластины, как пра-
вило, дисковой пилой с внутренней алмазной режущей кромкой.
В поверхностных слоях кремниевой пластины, конечно, имеются
дефекты. Их можно удалить, например, путем химического трав-
ления, однако при производстве мощных приборов этот метод
применяется не во всех случаях.
Поскольку контроль за толщиной кремниевых пластин осо-
бенно важен при изготовлении мощных тиристоров, после резки
обычно производят механическую шлифовку. В результате полу-
чают пластину требуемой толщины с плоскопараллельными по-
верхностями. В процессе шлифовки в поверхностных слоях крем-
ния на глубине до 30 мкм образуются дефекты.
144
Другой проблемой, связанной с данной обработкой, является
введение загрязнений в поверхностный слой. Снятие загрязнен-
ного поверхностного слоя, несомненно, желательно. В то же вре-
мя удаление всех поврежденных слоев не всегда целесообразно,
так как определенное количество дефектов может способствовать
предотвращению загрязнения кремния из-за их геттерирующего
действия [Ravi 1981].
Кроме того, для удаления поврежденного при шлифовке крем-
ния необходимо полировать пластину или подвергать ее трав-
лению. Причем оба эти процесса могут отрицательно сказаться
на плоскостности и параллельности поверхностей пластины.
Для устранения загрязнений после шлифовки пластин тре-
буется их комбинированная обработка: во-первых, травление
(кремния с целью исключения захваченных примесей и, во-вто-
рых, ликвидация загрязнений на их поверхности. Большинство
травителей и очищающих средств, используемых изготовителями
тиристоров, запатентованы, но все же целесообразно дать неко-
торые общие рекомендации.
Для травления кремния можно применять как щелочные, так
и кислые травители. В первом случае скорость удаления кремния
очень низкая (как правило, менее 2 мкм/мин для КОН), а во
втором случае процесс протекает гораздо быстрее.
Кислые травители представляют собой смесь фтористоводо-
родной и азотной кислот, в которую часто добавляется некоторое
количество уксусной кислоты. Например, при использовании
смеси данных кислот в соотношении 3:5:3 обеспечивается ско-
рость травления 34,8 мкм/мин [Beadle, Tsai, Plummer, 1985].
После травления кремния перед очисткой слоя целесообразно
удалить все имеющиеся на его поверхности оксиды с помощью
фтористоводородной кислоты, иначе очищающее средство может
быть неэффективным при устранении примесей, захваченных ок-
сидом.
Выбор химикалиев для очистки обычно определяется типом
загрязняющего вещества. Реагенты, содержащие перекись водо-
рода, используются для удаления атомных и ионных загрязнений.
С Они представляют собой смеси серной или соляной кислот с пе-
"рекисью водорода и позволяют исключить тяжелые металлы без
'образования вторичного покрытия путем формирования раство-
,'римых комплексов. Другим эффективным средством является
смесь гидроокиси аммония с перекисью водорода. Она особенно
'полезна при очистке кремния от органических веществ. [Burk-
'man, 1981], [Kern, Puotinen, 1970].
5.2. Эпитаксия
Эпитаксия — это процесс осаждения тонких слоев полупро-
водниковых материалов на подложку с сохранением ее кристал-
145
7-355
ь)
Рис. 5.4. Примеры изготовления мощных тиристоров с применением эпитаксии:
а — быстродействующий низковольтный тиристор; б — тиристор со статической индук-
цией и скрытым затвором; в— асимметричный тиристор; 1 —сетка р-тнпа
лической структуры. При осаждении кремния происходит вос-
становление водородом кремниевых соединений — обычно газо-
образны* силана (S1H4), трихлорсилана (SiHCU), четыреххло-
ристого кремния (SiCl4) или дихлорсилана (SiHsCU).
Как правило, эти газы смешиваются с соответствующим га-
зообразным веществом, содержащим, например, фосфор или
мышьяк при получении эпитаксиального кремния д-типа, или
бор при изготовлении легированных слоев р-типа.
Непосредственно на процесс осаждения влияют многие фак-
торы, например температура, давление и концентрация содержа-
щего соединения кремния газа в эпитаксиальном реакторе. Кро-
ме того, качество слоев в значительной степени определяется
свойствами поверхности подложки: небольшие дефекты на ней
не только воспроизводятся при эпитаксии, но и обусловливают
появление гораздо более опасных дефектов.
Основными требованиями при эпитаксии, связанными со спе-
цификой производства мощных тиристоров, являются наличие
больших поверхностей с низкими уровнями дефектов и точный
контроль за толщиной эпитаксиальных слоев, изменяющейся в
диапазоне от 10 до 50 мкм.
На рис. 5.4 показаны несколько структур мощных тиристоров,
изготовленных с применением эпитаксии. На рис. 5.4, а изобра-
жен тиристор с д-базой, сформированной данным способом. Его
исходным материалом является сильнолегированная подложка
p-типа. На ней методом эпитаксии получили слой д-типа, а затем
провели многократную диффузию p-типа и на завершающей
стадии диффузию д-типа для создания эмиттера.
В данном случае очень важно контролировать толщину эпи-
таксиального слоя, так как она определяет окончательную ши-
рину д-базы. Кроме того, необходимо обеспечить низкую плот-
ность дефектов для исключения чрезмерных токов утечки в
р+—д- или р — д-запирающих переходах. Проблема эпитакси-
ального выращивания при изготовлении р — д-переходов большой
площади исследована в [Roy, 1973]. Основные трудности свя-
146
заны с выбором наиболее подходящего метода очистки кремние-
вой подложки перед осаждением эпитаксиального слоя. Наи-
лучшие результаты получены при травлении шестифтористой
серой. В [Roy, 1973] получены высококачественные р— и-пере-
ходы с площадью 5 см2, пробивное напряжение которых пре-
вышало 3500 В.
Исходным материалом при изготовлении изображенного на
рис. 5.4, б тиристора со статической индукцией является под-
ложка n-типа. Первоначально проводили диффузию для созда-
ния р+-анода и решетки p-типа, которую заглубляли путем эпи-
таксиального осаждения слоя п-типа. На заключительной стадии
путем диффузии создавали эмиттер и+-типа. В этом случае так-
же было важно обеспечить качество эпитаксиальных слоев, но
возникла и дополнительная проблема, обусловленная наличием
на поверхности подложки на стадии эпитаксии слоев п- и р-типа.
Это связано с тем, что существовала вероятность проникновения
легирующей примеси p-типа в поток газа с нарушением процесса
легирования осаждаемого слоя п-типа.
На рис. 5.4, в изображен изготовленный с применением эпи-
таксии асимметричный тиристор. Его легированный слой п-типа
осаждали на подложке с высоким удельным электрическим со-
противлением и из полученной таким образом структуры путем
диффузии формировали данный тиристор.
Эпитаксиальный слой предотвращает распространение обед-
ненного слоя под действием прямого запирающего напряжения
(см. § 4.2). Качество эпитаксиального слоя не столь важно в
данном случае, так как он никогда не подвергается воздействию
чрезмерно высокого напряжения. Повышенные уровни дефектов
могут создать серьезные проблемы в том случае, если, с одной
стороны, они обусловливают передачу дефектов подложке и-типа
.и, с другой стороны, предъявляются сколько-нибудь существен-
ные требования к запирающему напряжению р+— и+-анодного
перехода.
Применение эпитаксии для изготовления р—i—п-диодов ис-
следовано в [van Jseghem, 1976]. В результате были получены
диоды с очень высокими (выше 5000 В) напряжениями. Эта
работа имеет самое непосредственное отношение и к асиммет-
ричным тиристорам, поскольку у обоих приборов имеются базо-
вые р — п~ — и+-структуры.
В целом, однако, применение эпитаксии при изготовлении
мощных тиристоров пока ограничено.
Сложности, связанные с обеспечением низкого уровня дефек-
тов и разработкой высокопроизводительного экономичного техно-
логического процесса, еще не компенсируются техническими
преимуществами при эпитаксии, поэтому в большинстве случаев
слои р- и n-типа приборов формируются методами диф-
фузии.
147
5.3. Изготовление р—«-переходов
Слои р- и n-типа мощных тиристоров обычно формируются
путем введения легирующих примесей в исходный кремний п-
типа. Обычно для этого применяются методы диффузии, хотя,
как будет показано ниже, возможно также сочетание ионной
имплантации и диффузии. Традиционными легирующими при-
месями, используемыми при производстве мощных тиристоров,
являются фосфор, мышьяк (донорные примеси), галлий, алюми-
ний и бор (акцепторные примеси).
Выбор конкретной примеси зависит от нескольких факторов,
в частности от коэффициента диффузии, определяющего скорость
диффузии при заданной температуре (см., например, рис. 3.3),
наличия соответствующей технологии проведения диффузии, по-
зволяющей реализовать требуемые диффузионные профили рас-
пределения легирующей примеси по глубине, а также влияния
атомов легирующей примеси на кристаллическую структуру
кремния.
Воздействие отдельных примесей на кристаллическую струк-
туру особенно важно для мощных тиристоров. Поскольку у атома
примеси не может быть такой же атомный радиус, как и у крем-
ния, существует вероятность разрушения им кристаллической
решетки кремния с образованием вызванных диффузией дефек-
тов, например дислокаций.
В этом плане наиболее отрицательно воздействуют бор и фос-
фор, так как их атомы намного меньше атомов кремния [Ravi,
1981] . Алюминий, галлий и мышьяк по размерам своих атомов
довольно близки к кремнию, и поэтому создаваемое ими напря-
жение, обусловленное искажением кристаллической решетки,
незначительно.
Вследствие хорошего совпадения размеров атомов кремния,
галлия и алюминия последние Являются предпочтительными ле-
гирующими примесями по сравнению с бором при формировании
основных запирающих переходов тиристора. Бор обычно приме-
няют лишь в тех случаях, когда необходимо провести диффузию
акцепторов для формирования планарных слоев.
Это связано с тем, что алюминий и галлий нельзя маскиро-
вать диоксидом кремния, в то время как при использовании
бора сложностей при маскировании данным материалом не воз-
никает. Кроме того, как будет показано ниже, напряжения, созда-
ваемые бором, дают преимущества при геттерировании.
Бор можно использовать при диффузии акцепторов для соз-
дания эмиттера, поскольку в этом случае процессы диффузии
более простые, чем при введении алюминия или галлия, а уро-
вень возникающих дефектов может быть допустимым. При диф-
фузии фосфора также создаются дефекты в кремнии в связи
с рассогласованием параметров решетки. Это допускается для
148
эмиттерной области n-типа, где время жизни неосновных носи-
телей заряда не является важным параметром.
г Как и при использовании бора, дефекты, вызванные фосфо-
ром, могут обусловить геттерирующее действие. Альтернативной
донорной легирующей примесью является мышьяк. Напряжение,
возникающее при его применении, незначительно, однако ско-
рость диффузии существенно ниже, чем при использовании фос-
фора. По этой причине мышьяк редко применяется при изготов-
лении мощных тиристоров.
Основные уравнения, описывающие диффузионные профили,
коэффициенты диффузии и важнейшие требования при форми-
ровании диффузионных слоев приведены в § 3.3. В данном пара-
графе будут представлены диффузионные и другие системы для
создания р— «-переходов в мощных тиристорах.
5.3.1. Диффузия галлия и алюминия
Согласно рис. 5.1 первой стадией процесса изготовления мощ-
ных тиристоров является проведение диффузии акцепторов для
создания основных запирающих переходов. Поскольку требуется
обеспечить глубину перехода, равную 30—140 мкм, и низкую
Плотность дефектов, обычно в качестве легирующих примесей
используют галлий и алюминий. Они вводятся путем диффузии
с обеих сторон пластины, и в результате формируется р — п — р-
е'труктура.
Различают диффузионные процессы в открытых или запаян-
ных трубах. Процесс диффузии в запаянной трубе показан на
рис. 5.5. Кремниевые пластины помещают в кварцевую трубу
вместе с легирующей примесью (обычно в элементарной форме).
Затем трубу откачивают и заполняют инертным газом. Запаян-
ную трубу помещают в диффузионную печь, где она обычно и
находится в течение 15—50 ч, подвергаясь воздействию темпе-
ратур 1200—1250° С.
После этого трубу открывают, вынимают обработанную плас-
тину и быстро очищают ее, подготавливая к следующей опера-
ции. При использовании галлия его количество, осажденное на
поверхность кремниевой пластины, определяется исходя из сле-
дующих параметров: во-первых, растворимости в твердом состо-
янии галлия в кремнии и, во-вторых, давления паров галлия в
запаянной трубе. Обе характеристики зависят в первую очередь
от температуры, поэтому и поверхностная концентрация галлия
г1
Рис. 5.5. Система для про-
ведения диффузии мето-
дом запаянной трубы:
I, 3 — уплотнение; 2 —
Кварцевая труба; И—ис-
точник
.2
149
Рис. 5.6. Система для пр0.
ведения диффузии мето-
дом открытой трубы:
/ — подача газа; 2—крем-
ниевая пластина, 3 — выход
газа
в кремнии после диффузии определяется главным образом тем-
пературой, при которой осуществлялась диффузия.
Процесс диффузии алюминия в запаянной трубе осложняется
реакцией, проходящей между алюминием и кварцем трубы [Као,
1967], [Choudhury, Selim, Ta';ei, 1977]. Парциальное давление
алюминия по сравнению с галлием при любой заданной темпе-
ратуре существенно ниже, что обусловливает низкую поверхно-
стную концентрацию. Дальнейшее снижение концентрации свя-
зано со взаимодействием алюминия и кварца. В конечном итоге
после диффузии алюминия при температуре 1250° С поверхност-
ная концентрация составляет около 5-1016 см-3, в то время как
при использовании галлия и той же температуре диффузии она
равнялась бы 8-Ю18 см~3.
Методы преодоления данных ограничений в концентрации
при диффузии алюминия разработаны в [Као, 1967], [Rosnow-
ski, 1978], [Chang, 1981]. В [Као, 1967] повышение поверхно-
стной концентрации осуществляется путем насыщения стенок
кварцевой трубы алюминием. В [Rosnowski, 1978] предложено
проводить диффузию алюминия в высоком вакууме. Согласно
[Chang, 1981] процесс происходит в совершенно открытой трубе
(рис. 5.6).
При этом кремниевые пластины находятся в кварцевой трубе
диффузионной печи, а газ перемещается вдоль нее. Проводить
диффузию алюминия методом открытой трубы можно по-разно-
му. В первом случае кремниевые пластины чередуются с дисками
из сильнолегированного алюминием кремния, являющегося ис-
точником. При температуре диффузии 1200° С алюминий из ис-
точника в потоке газа переносится в кремний. Во втором случае
источник алюминия в элементарной форме устанавливается
перед пластинами. Пары испаряющегося алюминия в потоке
газа поступают к кремниевым пластинам.
Применение метода открытой трубы позволило в значитель-
ной степени преодолеть ограничения, вызванные технологией
диффузии в запаянной трубе, и обеспечить требуемую поверх-
ностную концентрацию в диапазоне от 1 • 1016 до 1 • 10™ атом/см3.
В то же время было установлено, что процесс диффузии алюми-
ния очень чувствителен к наличию паров кислорода и воды в
потоке газа.
5.3.2. Диффузия бора
Бор обычно осаждают на кремниевые пластины, применяя
для этого системы с открытой трубой. Введение данной легиру-
150
1ющей примеси осуществляется двумя способами. Первый способ
{заключается в транспортировке соединения бора от твердого
'источника диффузанта (триоксида бора, В2О3) или жидкого
(трибромида бора, ВВг3) газом-носителем, например азотом.
Если источником диффузанта является ВВг3, то происходит его
взаимодействие с кислородом в диффузионной трубе с образо-
ванием В2О3.
Второй способ основан на применении твердых источников
Диффузанта в виде плоских дисков из нитрида бора (BN).
Диски, расположенные в потоке газа, чередуются с кремниевыми
f/ластинами. Нитрид бора взаимодействует с кислородом с обра-
зованием триоксида бора. Во всех случаях источники бора обра-
зуют слой боросиликатного стекла на поверхности кремния, ко-
торый и служит источником диффузанта.
г Одна из проблем, связанных с применением бора, заключает-
ся в сложности удаления боросиликатного стекла, так как этот
процесс можно осуществить только путем травления с незначи-
тельной скоростью при использовании большинства химикалиев.
Одним из традиционных решений, обеспечивающих существен-
ное повышение скорости травления стекла во фтористоводород-
ной кислоте, является проведение оксидирования в парах воды
после осаждения бора.
п.
5.3.3. Диффузия фосфора и мышьяка
Осаждение фосфора обычно осуществляется с помощью окси-
хлорида фосфора (РООз). Эта жидкость транспортируется к
•цремниевой пластине в соответствии с технологией диффузии
методом открытой трубы при одновременном барботировании
чпррез нее азота. В трубе диффузионной печи происходит смеше-
ние РОС13 с контролируемым количеством кислорода и образо-
вание фосфорного ангидрида.
Г Продуктом его реакции с кремнием является фосфоросили-
катное стекло — источник фосфора. Поверхностная концентра-
ция, определяемая диффузией фосфора, зависит от нескольких
параметров, в том числе от концентрации РОС13 в потоке газа,
[Крличества кислорода и температуры диффузии. Результаты
исследования этих параметров и их влияния на поверхностное
сопротивление осажденных слоев фосфора приведены в [Heynes,
Wilkerson, 1967].
ч Диффузия мышьяка методом открытой трубы не нашла ши-
рокого применения при изготовлении мощных тиристоров из-за
токсичности соединений мышьяка. Метод запаянной трубы ис-
пользуется лишь в некоторых случаях, причем в качестве источ-
ника диффузанта целесообразно применять арсенид галлия
!(GaAs). Области кремния можно маскировать оксидом, препят-
ствующим диффузии мышьяка, но позволяющим осуществлять
151
диффузию галлия. Таким образом формируются слои р- и «-типа.
Аналогичный процесс реализуется и при использовании фосфида
галлия (GaP).
Преимуществом мышьяка является очень хорошее согласо-
вание по параметрам с решеткой кремния: размер его атомов
такой же, как и у данного полупроводникового материала. Одна-
ко коэффициент диффузии мышьяка по сравнению с фосфором
приблизительно на порядок меньше, поэтому на практике при
формировании эмиттера мощного тиристора фосфор не всегда
следует выбирать в качестве легирующей примеси.
5.3.4. Ионная имплантация
Ионная имплантация — это способ введения легирующей при-
меси в материал путем облучения его пучком высокоэнергетич-
ных ионбв. Пучок ионов может создавать источник в виде элект-
рического разряда в паровой фазе, содержащей ионы легирую-
щей примеси. Последние ускоряются под действием электриче-
ского поля и разделяются на ионы определенного типа в магнит-
ном поле.
Обычно ионы ускоряются до энергий 100 кэВ и сканируют
мишень* в поперечном направлении. Если высокоэнергетичные
ионы проникают в материал, то они теряют свою энергию в ре-
зультате взаимодействия с атомами и электронами, а затем
останавливаются в какой-либо точке. Распределение импланти-
рованных ионов в аморфном материале описывается с помощью
кривой распределения Гаусса.
Средний пробег электронов называется проекционным пробе-
гом, а половина ширины распределения — разбросом импланта.
Длины проекционного пробега и разброса, установленные в
[Smith, 1978], обычно очень небольшие по сравнению с разме-
рами мощных приборов. Например, для бора, имплантированного
в кремний с энергией 100 кэВ, пробег составляет 0,3 мкм, а раз-
брос 0,07 мкм, в то время как для фосфора при тех же энергиях
эти значения равны 0,124 и 0,046 мкм соответственно.
У монокристаллического кремния, подвергнутого импланта-
ции путем воздействия ионного пучка, профиль распределения
легирующей примеси отклоняется от распределения по Гауссу.
Отчасти это связано с проникновением некоторых электронов па
большую глубину через правильную кристаллическую решетку
вследствие действия механизма канального эффекта.
На практике этот механизм контролировать довольно сложно,
и поэтому принимаются меры для его исключения. Кремниевую
пластину наклоняют под углом 8—10° между ионным пучком и
нормалью к поверхности. Вращение пластины и имплантация
через тонкую пленку изоляционного материала также способст-
вуют предупреждению данного эффекта. В отсутствие канально-
152
I го эффекта распределение ионно-имплантированной примеси
приближается к гауссовскому.
,j Основными преимуществами ионного легирования является
высокая воспроизводимость процесса, возможность его прове-
дения при комнатной температуре и простота маскирования с
использованием любых материалов, например фоторезиста, ок-
сида или металлов. Хотя сам процесс имплантации можно осу-
ществлять при комнатной температуре, после него кремний не-
обходимо подвергнуть высокотемпературному (до 950° С) отжигу
для удаления основной части радиационных дефектов и обеспе-
чения перехода имплантированных ионов в электрически актив-
ное состояние замещения.
В связи с тем что легированный слой, созданный путем ион-
ной имплантации, неглубокий, при изготовлении переходов мощ-
ных тиристоров он используется лишь в качестве источника леги-
рующей примеси. Поскольку в процессе имплантации можно с
высокой точностью измерить дозу ионов, имплантированный
слой представляет собой хорошо контролируемый поверхност-
ный источник легирующей примеси.
Кроме того, в отличие от альтернативных методов осаждения
легирующей примеси, в данном случае не исключено селективное
низкотемпературное осаждение путем простого маскирования.
При последующем высокотемпературном перераспределении ле-
гирующей примеси формируется хорошо контролируемый диф-
фузионный профиль. Преимущество данного процесса заключа-
ется в его воспроизводимости и однородности [Chu е. а., 1977].
Ионная имплантация применяется для формирования буфер-
ных слоев м^-типа асимметричных тиристоров. Альтернативным
процессом является осаждение РОС1з, однако он не обеспечива-
Гет хорошую однородность при низком (менее 1017 см”3) уровне
легирования, необходимом для и+-буферных слоев тиристоров.
Недостаток метода ионной имплантации по сравнению с другими
способами легирования связан с высокой стоимостью изготовле-
ния мощных тиристоров.
5.3.5. Сплавные переходы
Е
С момента создания полупроводниковых приборов метод
сплавления широко применялся для формирования переходов.
Кремний обычно сплавляют с такими металлами, как алюминий
>(или золото, образующими эвтектический сплав при низкой тем-
пературе. Золото и кремний в сплаве содержатся в соотношении
97:3, а его температура плавления составляет 370° С. В составе
эвтектического сплава алюминия и кремния с температурой плав-
ления 577° С имеет место соотношение 88,2:11,8.
В сплавляемых материалах переходы формируются путем
введения соответствующих акцепторных и донорных легирующих
153
примесей. Например, сплав золота и кремния можно легировать
сурьмой или галлием с образованием слоев п- или р-типа.
В сплаве алюминия и кремния в том случае, если не было пред-
варительного легирования, всегда формируется слой р-типа.
Сплавление выполняется путем прижатия диска из сплава к
поверхности кремния и последующего нагрева сплава до темпе-
ратуры не ниже точки плавления эвтектики в содержащей не-
значительное количество водорода восстановительной атмосфере.
Это осуществляется в целях предотвращения формирования
любых оксидов, которые могли бы препятствовать процессу ле-
гирования. При возрастании температуры поверхностный слой
кремния, контактирующий с расплавленной эвтектикой, раство
ряется в расплаве. С уменьшением температуры кремний из ра-
сплава декристаллизуется на поверхности кремния с образова-
нием слоя, содержащего легирующую примесь из сплава. Таким
образом, формируется контакт металл — кремний с промежуточ-
ным слоем рекристаллизованного кремния р+- или и -типа.
Сплавы редко применяются для изготовления запирающих
переходов, однако ранее их использовали при формировании
эмиттеров тиристоров. Сплав золота и кремния с примесью сурь-
мы служит для образования катодных эмиттеров, а сплав крем-
ния с алюминием — для изготовления анодных эмиттеров. В на-
стоящее время, путем сплавления формируются только анодные
приконтактные р+-слои к диффузионному эмиттеру p-типа мощ-
ных тиристоров.
5.4. Оксидирование
Оксидирование как составная часть процесса изготовления
мощных тиристоров применяется, в частности, для получения
диоксида кремния. Последний используется в качестве маскиру-
ющего слоя при селективной диффузии фосфора или бора, а
также для пассивации поверхности (§ 5.8) или в виде поверхно-
стного слоя при формировании рисунка металлизированных кон-
тактов («окно» в оксиде покрывается металлом для образования
областей контактов, расположенных только внутри него).
Оксид образуется в результате взаимодействия кремния в
поверхностном слое и кислорода при повышенной температуре.
При сухом оксидировании процесс осуществляется в чистом кис-
лороде, а в случае оксидирования в парах воды в атмосфере
содержатся пары воды и кислород.
Основным различием между этими двумя процессами являет-
ся скорость роста оксида. В парах воды и кислороде при темпе-
ратуре 1200° С оксид толщиной 0,5 мкм формируется приблизи-
тельно 18 мин, а при сухом оксидировании и той же толщине
оксида процесс длится около 6 ч. Графические зависимости
толщины оксида от времени и температуры приведены в [Beadle,
Tsai, Plummer, 1985].
154
Хотя оксидирование и необходимо на некоторых стадиях изго-
товления тиристоров, оно отрицательно сказывается на токах
утечки мощных тиристоров в закрытом состоянии [Baliga,
1977а]. Известно, что данный процесс может привести к форми-
рованию преципитатов диоксида кремния внутри кремния, кото-
рые выступают в качестве ловушек для примесей тяжелых ме-
таллов. Образующиеся «горячие» точки ухудшают характерис-
тики тиристоров. Отжиг в атмосфере азота после оксидирования
позволяет уменьшить размер дефектов и снизить их плотность
[Ravi, 1981].
Альтернативным методом, позволяющим предотвратить фор-
' мирование и рост дефектов или ослабить этот процесс, является
добавление хлора при оксидировании в оксид [Hattori, 1982],
[Janssens, Declerck, 1978]. Сообщается также, что при введении
хлора не исключено геттерирование металлических примесей,
предотвращающее любое отрицательное воздействие процесса
оксидирования на ток утечки тиристора.
5.5. Фотолитография
Катодный эмиттер мощного тиристора и анодный эмиттер
запираемых и проводящих в обратном направлении тиристоров
имеют определенную конфигурацию, включая, например, шунты
эмиттера. Это достигается путем планарной диффузии, т. е. диф-
фузии через маскирующий слой с рисунком, или с помощью
мезатехнологии. В последнем случае топология диффузионного
перехода формируется посредством избирательного травления
диффузионных слоев. Катоды, изготовленные по планарной и
мезатехнологии, показаны на рис. 5.7.
При использовании обеих технологий требуются определен-
ные методы точного воспроизведения рисунка на поверхности
кремния. Таких методов два — фотолитография и трафаретная
печать. Фотолитография применяется при изготовлении боль-
шинства полупроводниковых приборов, причем фоторезист на-
носится на поверхность кремниевой пластины методом центри-
фугирования. Это химически стойкий светочувствительный ма-
териал. Он подвергается воздействию ультрафиолетового излу-
Рис. 5.7. Катоды, изготовленные по планарной (а) и мезатехнологии (6):
/ — эмиттер л +-типа
155
чения через фотошаблон с требуемым рисунком, а затем прояв-
ляется с образованием копии рисунка на кремниевой пластине.
Далее проводится травление для формирования в соответст-
вии с рисунком рельефа поверхности кремния или любого дру-
гого покрытия, например оксида. Преимуществом фотолитогра-
фии является возможность получения на большой поверхности
кремния линий очень незначительной ширины, причем последую-
щие «слои», например металлизация, могут быть точно воспро-
изведены с учетом уже имеющегося рисунка.
Трафаретная печать широко используется для изготовления
толстопленочных гибридных схем. Данный метод более эконо-
мичен по сравнению с фотолитографией, и технология его такова.
Берется шелковый трафарет с рисунком, сформированным так,
что его некоторые участки имеют поры. Трафарет прижимается
к кремниевой подложке, и жидкий резист продавливается через
него к пластине.
Метод обладает следующими недостатками. Во-первых, он не
позволяет реализовать геометрию с элементами уменьшенных
размеров и, во-вторых, не обеспечивает точное совмещение од-
ного рисунка .с другим. Однако в соответствии с требованиями
к геометрии мощных тиристоров рисунки обычно бывают доста-
точно крупными, поэтому трафаретную печать можно рассмат-
ривать в качестве альтернативы фотолитографии.
5.6. Регулирование времени жизни неосновных носителей
заряда
Большинство процессов диффузии, оксидирования и фотоли-
тографии, описанных выше, традиционно применяются при из-
готовлении различных полупроводниковых приборов и поэтому
детально не рассматривались. Однако регулирование времени
жизни неосновных носителей заряда является более специфич-
ным процессом, в связи с чем имеет смысл остановиться на нем
подробнее. Для мощных тиристоров существуют две возможно-
сти регулирования времени жизни: предотвращение образования
или удаление сокращающих время жизни дефектов в процессе
изготовления приборов и контролируемое уменьшение времени
жизни носителей заряда для определения времени выключения
или заряда обратного восстановления тиристора.
5.6.1. Предотвращение деградации времени жизни
При высокотемпературной обработке мощные тиристоры по
сравнению с другими полупроводниковыми приборами особенно
чувствительны к действию нежелательных примесей или дефек-
тов иного типа. Это объясняется двумя причинами: во-первых,
необходимостью длительной диффузии при повышенных темпе-
156
ратурах для получения глубоких переходов и, во-вторых, исполь-
зованием при функционировании приборов пластины по всей тол-
щине, в то время как у слаботочных приборов нагружены лишь
, поверхностные слои, а остальная часть кремниевой пластины
применяется для геттерирования нежелательных примесей.
I> Данные примеси проникают в кремний с его поверхности
при диффузии в процессе высокотемпературной обработки. У не-
которых из них, например меди, железа и золота, скорость диф-
фузии на несколько порядков выше, чем у обычных легирующих
примесей п- или p-типа. Деградацию времени жизни неосновных
носителей из-за нежелательных примесей лучше всего предот-
вратить путем их удаления с поверхности кремния.
Загрязнения на поверхности кремниевой пластины появля-
ются в процессе ее шлифовки или полировки, а также в связи
с применением химикалиев для травления или очистки кремния,
из-за воздействий окружающей среды, наличия источника диф-
. фузанта или газов, используемых при диффузии, диффузионной
трубы или зажимного приспособления. Различные способы сни-
жения уровня загрязнений реализуются на практике при изготов-
лении интегральных схем с высокой степенью интеграции [Ban-
sal, 1983], [Burkinan, 1981], [Hoenig, Daniel, 1984], [Schmidt,
1983].
Обнаружение рассмотренных примесей в кремнии, безусловно,
является важной частью процесса изготовления приборов. Если
это происходит уже на стадии получения кремния, то экономится
производственное время. Существуют несколько довольно не-
продолжительных по времени методов обнаружения примесей в
кремнии. Наиболее эффективные из них — емкостная спектро-
скопия [Lang, 1974] и метод, основанный на спаде напряжения
в разомкнутой цепи [Derdouri, Leturcq Minoz-Yague, 1980].
Последний метод позволяет оценить время жизни неосновных
носителей заряда в кремнии. Для этого требуется р — п-диод,
изготовленный из части обработанного кремния путем удаления
его ненужных слоев. Без изменений остается только переход,
блокирующий прямое или обратное напряжение. С помощью
этого метода при правильном выборе места замера можно
быстро обнаружить деградацию времени жизни носителей, одна-
ко не удается получить информацию о самих дефектах или при-
месях, обусловливающих этот процесс.
Эти данные выясняют с применением емкостной спек i роско-
пии, которая позволяет судить об энергии активации примесей
в запрещенной зоне кремния и концентрации примесных уровней
путем определения их влияния на вольт-фарадные временные
характеристики р—и-перехода.
Оба рассмотренных метода использовались в [Paxman and
Whight, 1980] для оценки процессов диффузии при изготовлении
мощных приборов. Было установлено, что данные процессы ха-
157
рактеризуются двумя уровнями дефектов. Первый уровень, обна-
руживаемый в n-базе прибора, находится на 0,267 эВ ниже «дна»
зоны проводимости, а второй, в p-базе, на 0,31 эВ выше «потол-
ка» валентной зоны.
Именно эти глубокие уровни несут ответственность за регу-
лирование времени жизни неосновных носителей заряда. Ока-
залось, что глубокий уровень в п-базе можно создать путем
быстрого охлаждения кремния начиная с температуры 1000° С,
хотя природа самой примеси и не была определена.
Сообщалось также о применении емкостной спектроскопии
при изготовлении мощных тиристоров в [Cress, Taylor, 1984].
Авторы установили диапазон энергетических уровней дефектов,
введенных при производстве данных приборов, и идентифициро-
вали два уровня дефектов как загрязнения золотом и железом.
Особое значение этой работы заключается в констатации того
факта, что концентрация глубоких уровней, созданных при пер-
воначальной высокотемпературной обработке, существенно сни-
жается при последующей диффузии фосфора. Этот процесс обус-
ловлен эффектом геттерирования, связанным с диффузией, и рас-
смотрен в следующем разделе.
5.6.2. Улучшение времени жизни
Для мощных приборов разработаны процессы, позволяющие
удалять примеси или дефекты (хотя всегда целесообразнее
предупреждать их появление), которые называются геттерирова-
нием. Гитерирование применяется перед изготовлением прибора
или в процессе его производства.
Использование геттеров на ранней стадии производственного
цикла называется геттерированием перед оксидированием. Это
определение обусловлено основной целью данного вида обра-
ботки — ликвидацией примесей или микродефектов, которые при
последующих технологических операциях, например оксидирова-
нии, могут действовать как центры зарождения активных де-
фектов.
Принцип геттерирования основан на том, что примесь или
дефект находится в виде твердого раствора, а не устойчивого
преципитата. Путем диффузии их можно быстро переместить
из критических областей прибора в неактивную зону, которой
у мощного тиристора является поверхность кремниевой пластины.
В дальнейшем примесь или дефект должны быть захвачены в
этой некритической зоне.
В большинстве случаев при реализации геттерирования перед
оксидированием одна сторона пластины обрабатывается таким
образом, чтобы у данной поверхности создавалось механическое
напряжение. Именно оно и стимулирует диффузию примеси или
дефекта по направлению к поверхности. Данное напряжение
158
можно создавать несколькими различными способами, например
абразивной обработкой полупроводниковых пластин, ионной
имплантацией, осаждением нитрида кремния или диффузией
фосфора при высоких концентрациях и температуре для обеспе-
чения напряжений несоответствия.
Более полно эти проблемы рассмотрены в [Ravi, 1981]. Во
всех случаях дефекты перемещаются из критической области
прибора к одной стороне пластины.
Другим эффективным способом геттерирования полупровод-
1 никовых пластин перед оксидированием является отжиг в азоте
и оксидирование в атмосфере хлора [Hattori, 1982], [Ravi,
1981].
Для мощных тиристоров наиболее широко геттерирование
применяется как часть обычного процесса диффузии или на
завершающей стадии обработки. Такие процессы называются
диффузионным геттерированием и используются в целях удаления
из рабочей части прибора примесей тяжелых металлов, которые
в противном случае обусловливают высокие напряжения в откры-
том состоянии и «мягкие» характеристики пробоя.
Традиционными эффективными процессами геттерирования
методом диффузии являются процессы с применением фосфора
и бора. Если тиристору необходим высоколегированный по-
верхностный слой, в частности, для металлизированных контак-
тов, то диффузионное геттерирование может представлять собой
часть процесса формирования перехода при изготовлении ти-
ристора с использованием, например, бора для р+-анодного слоя
или фосфора для п+ -катодного слоя эмиттера. В противном
случае геттерирующий диффузионный слой удаляется путем
химического травления или абразивной обработки.
Типичный процесс диффузионного геттерирования состоит из
двух этапов: осаждения сильнолегированного слоя стекла, напри-
мер фосфоро- или боросиликатного, и последующего отжига.
Механизмы, с помощью которых осуществляется функционирова-
ние данных геттеров, зависят от типа вводимой примеси. Предпо-
лагается, однако, что определяющими являются следующие
факторы: механическое напряжение, связанное с высокой концен-
трацией легирующей примеси и обусловливающее диффузию
нежелательной примеси, и возрастающая растворимость приме-
сей в сильнолегированном кремнии и слоях стекла на тиристоре.
Например, медь и золото при геттерировании перемещаются
к сильнолегированным слоям кремния, в то время как железо
накапливается в слое стекла [Meek, Seidel, Cullis, 1975], [Na-
kamura, Kato, Oi, 1968].
5.6.3. Контролируемое уменьшение времени жизни
При успешном применении рассмотренных выше методов
время жизни неосновных носителей заряда в структуре тиристора
159
на завершающем этапе его изготовления будет значительным.
Для тиристоров, используемых на низких частотах, и для отдель-
ных приборов, не соединенных друг с другом последовательно,
дальнейшее регулирование времени жизни не требуется, так
как у каждого тиристора уже гарантируется выполнение условия
низкого падения напряжения в открытом состоянии.
При этом обеспечиваются значительные накопленный заряд
и время выключения тиристора, но для данных условий приме-
нения это уже не имеет существенного значения. Однако во
многих случаях время выключения и заряд обратного восста-
новления тиристора являются его главными характеристиками,
и поэтому они должны контролироваться путем предварительного
выбора времени жизни неосновных носителей.
В современной технологии изготовления тиристоров для регу-
лирований времени жизни носителей применяется легирование
металлическими примесями, например золотом или платиной,
или используется излучение высокой энергии. В обоих случаях
важно создать глубокий центр захвата в запрещенной зоне
кремния, действующий как уровень рекомбинации для электро-
нов или дырок.
Для определения влияния глубоких центров захвата на
время жизни неосновных носителей заряда целесообразно вос-
пользоваться уравнениями (3.3) — (3.8). В них проанализиро-
вано время жизни в различных условиях: во-первых, при низких
уровнях инжекции iLL для регулирования времени выключения,
накопленного заряда и диффузионных токов, во-вторых, при
высоких уровнях инжекции т;ш_ с целью контроля напряжения
в открытом состоянии и, в-третьих, в области пространственного
заряда tsc для определения создаваемого пространственными
зарядами тока, т. е. тока утечки тиристора.
В случае оптимальных характеристик тиристора время вык-
лючения должно быть небольшим, напряжение в открытом
состоянии минимальным и ток утечки незначительным, особенно
при рабочей температуре прибора. Для достижения этого «идеа-
ла» времена жизни в области пространственного заряда и при
высоких уровнях инжекции должны быть большими, а время
жизни при низких уровнях инжекции незначительным.
Характеристики уровня рекомбинации, при которых обеспе-
чивается это идеальное состояние, определены в [Baliga, Krishna,
19771 и [Baliga, 1977b| с учетом теоретических предпосылок
(максимальное значение соотношения при сохранении
достаточно большого т5С) и технологических требований. Послед-
ние допускают лишь незначительное влияние примесей, связан-
ное с эффектами легирования, на удельное электрическое сопро-
тивление ц-базы.
Кроме того, это воздействие должно быть положительным
при изменении значения удельного электрического сопротивления
160
и температуры в широком диапазоне. С учетом данных предпо-
сылок желательные свойства глубокого уровня можно определить
следующим образом: большое значение соотношения Ь0 = с>р/с>п,
где Ор и о„ — эффективные сечения захвата дырок и электронов
(при этом условии глубокий уровень обеспечивает высокое
соотношение т;///ты); большие сечения захвата для уменьшения
эффектов легирования, связанных с глубокими уровнями; энер-
гия активации глубокого уровня на 0,70 эВ выше потолка
валентной зоны, что позволяет уменьшить токи утечки и обуслов-
ливает положительное влияние глубокого уровня в широком
диапазоне температур и значений удельного электрического
сопротивления.
К сожалению, как показали исследования, ни один из глубо-
ких уровней, обычно применяемых для регулирования времени
жизни, не удовлетворяет полностью данным требованиям. Это
видно при анализе представленных в табл. 3.2 энергетических
уровней и сечений захвата некоторых регулирующих время
жизни глубоких уровней, хотя в [Dudeck, Kassing, 1977] и
предполагалось, что при использовании золота обеспечиваются
лучшие результаты, чем это следует из [Baliga, Krishna, 1977].
Экспериментальные данные подтверждают вывод о том, что
обычное легирование золотом и платиной, а также действие
излучения не являются идеальными способами регулирования
времени жизни неосновных носителей заряда [Baliga, Sun, 1977],
[Carlson, Sun, Assalit, 1977], [Miller, 1976], но каждый из
этих методов обладает своими преимуществами.
5.6.3.1. Регулирование времени жизни путем диффузии.
Легирующей примесью, наиболее широко применяемой для
уменьшения времени жизни, является золото. При его исполь-
зовании обеспечивается лучшее сочетание времени выключения
и напряжения в открытом состоянии тиристора по сравнению
с любыми другими традиционными способами регулирования.
Это обусловлено тем, что основной глубокий уровень, созданный
золотом, располагается на 0,54 эВ ниже «дна» зоны проводи-
мости, т. е. почти в центре зоны.
Однако, так как он вплотную прилегает к центру зоны, при
использовании золота время жизни в области пространственного
заряда очень незначительно и, следовательно, имеются большие
токи утечки, особенно при высоких температурах [Miller, 1976].
При введении золота в кремний сначала методами напыления
или химического осаждения наносят слой чистого золота на
поверхность полупроводника. Затем проводят диффузию при
температуре 800—1000° С в течение времени, достаточного для
насыщения кремния золотом.
Концентрация золота в кремнии и его электрическая актив-
ность определяются не только температурой диффузии, но и
другими свойствами кремния: повреждением поверхности, плот-
161
ностью дефектов, уровнями легирования и напряжений и
концентрацией примесей, особенно углерода и кислорода. Поэто-
му очень сложно предсказать влияние специфической последо-
вательности проведения процесса диффузии на время жизни
носителей в структуре тиристора.
На практике большинство процессов легирования золотом
разрабатываются методом проб и ошибок. Другой проблемой,
связанной с таким легированием, является предпочтительное
протекание диффузии в областях с высокой плотностью дефектов.
При этом возможно скопление золота в области, дефекты кото-
рой в обычных условиях неактивны, и образование горячих
точек в готовом тиристоре.
Один из методов, обеспечивающих лучший контроль процесса
диффузии золота, разработан в [Hayashi, Mamine, Matsushita,
1981]. АвтЪры показали возможность контролирования распре-
деления золота путем проведения диффузии железа при высокой
температуре перед диффузией золота при низкой температуре.
В этом случае во время предварительной диффузии железо
вводится в кремний в виде примеси замещения. Если золото
диффундирует при пониженной температуре, то атомы замеще-
ния железа превращаются в междоузельные атомы и создаются
вакансии, действующие как стоки для диффундирующего по
междоузлиям золота.
При обычной диффузии эти вакансии создаются путем термо-
обработки, диффузией с поверхности или с помощью собственных
дефектов. Их распределение и концентрация очень неравномерны
и зависят от времени диффузии. При двойной диффузии распре-
деление железа определяет процесс легирования золотом.
Применение самого железа в качестве контролирующей время
жизни легирующей примеси изучалось в [Hayashi, Mamine,
Matsushita, 1978]. Его вводили в кремний путем ионной имплан-
тации и затем осуществляли отжиг. По сравнению с диффузией
золота при легировании железом характеристики тиристоров
в закрытом состоянии меньше зависят от температуры. Кроме
того, в отличие от приборов, легированных золотом, падение
напряжения в открытом состоянии увеличивается с возрастанием
температуры.
Эти свойства обусловлены зависимостью от температуры под-
вижности и времени жизни неосновных носителей заряда, наблю-
даемой при легировании железом, и позволяют тиристорам
функционировать при высоких температурах. Кроме того, такие
приборы можно соединять параллельно друг другу благодаря
положительному температурному коэффициенту падения напря-
жения в открытом состоянии.
Диффузия платины является другой, более традиционной
альтернативой легированию золотом. Основной глубокий уро-
вень для платины находится на 0,42 эВ выше «потолка» вален-
162
Рис. 5.8. Сравнение характеристик тиристоров с различными профилями распре-
деления золота, но одинаковым временем выключения
тной зоны. Поскольку он представляет собой более мелкий
уровень рекомбинации, чем уровень золота, при легировании
платиной сочетание характеристик прибора в открытом и закры-
том состояниях гораздо хуже, хотя токи утечки значительно мень-
ше [Miller, 1976].
Кроме того, в отличие от золота платина оказывает су-
щественно меньшее влияние на фоновое легирование и-базы
тиристора [Miller, Schade, Nuese, 1975]. Золото, диффунди-
рующее при достаточно высоких концентрациях, обусловливает
значительную компенсацию n-базы тиристора и в некоторых
случаях даже «чрезмерную» ширину области пространственного
заряда прибора в закрытом состоянии и его преждевременный
пробой.
При использовании диффузии для регулирования времени
жизни неосновных носителей заряда особенно важно учитывать,
что равномерное распределение не всегда гарантирует оптималь-
ное сочетание характеристик тиристора. Изучению влияния
градиентов концентрации золота на характеристики переключе-
ния и свойства тиристора в открытом состоянии посвящено
[Silber, Maeder, 1976] и [Tada, Nakagawa, Hagino, 1982].
Полученные результаты представлены на рис. 5.8.
При изготовлении тиристоров диффузия проводилась с фор-
мированием различных контролируемых профилей распределения
легирующей примеси: высокая концентрация у анодного перехо-
да 11 (рис. 5.8, а); одинаковая концентрация у переходов
Л и 12 (рис. 5.8,6); повышенная концентрация у катодного
перехода 12 (рис. 5.8, в). Поскольку принято одинаковое время
выключения независимо от изменения температуры диффузии
при каждой обработке (этот параметр твердо установлен време-
нем жизни у перехода 11), можно сделать вывод о том, что
лучшее сочетание напряжения в открытом состоянии и времени
выключения характерно для профиля легирующей примеси на
рис. 5.8, в.
Однако сочетание накопленного заряда, определяемого вре-
менем жизни у переходов, блокирующих обратное напряжение,
и напряжения в открытом состоянии лучше при профиле на
рис. 5.8, а. Следовательно, выбор профиля распределения золота
зависит от требуемых характеристик переключения тиристора,
и в первую очередь от того, какой параметр — накопленный
заряд или время выключения — считается наиболее важным.
163
Форму диффузионного профиля золота нельзя регулировать
просто путем осаждения источника золота на одну или другую
поверхность кремниевой пластины. Какая бы из поверхностей
ни была покрыта золотом, при последующей диффузии происхо-
дит его перераспределение с формированием U-образного профи-
ля. Профиль золота, однако, можно изменить при наличии слоев,
высоколегированных фосфором или бором [Tada, Makagavva.
Hagino, 1982|.
Для создания профиля, показанного на рис. 5.8, а, слой N2
должен включать поверхность с высоким содержанием фосфора.
Фосфор оказывает геттерирующее действие на золото и снижает
его концентрацию по направлению к слою N2. Для обеспечения
профиля, приведенного на рис. 5.8, в, концентрация фосфора в
слое N2 должна быть низкой (менее 1О20 см”3), чтобы умень-
шить его геттерирующее действие. В то же время к анодному
слою Р1 перед проведением диффузии необходимо добавить слой
бора с концентрацией выше 1019 см 3 который оказывает анало-
гичное геттерирующее действие на фосфор.
И, наконец, если требуется ровный профиль золота с близки
ми концентрациями у переходов И и J2, то геттерирующее
действие фосфора следует ослабить путем уменьшения его кон-
центрации ниже 1О20 см”3. Содержание данной легирующей
примеси в слое Р1 не должно превышать 10|к см Однако при
этом концентрации у переходов J1 и J2 только уравниваются
и профиль будет принимать U-образную форму.
5.6.3.2. Радиационные методы легирования. Методы легиро-
вания путем диффузии имеют два существенных недостатка.
Во-первых, диффузия должна проводиться до металлизации
тиристора, поэтому электрические характеристики прибора нель-
зя проверить ни перед легированием, ни после его проведения.
И, во-вторых, данные способы легирования очень чувствительны
к дефектам кремния и уровням легирования перехода. В этой
связи невозможен точный контроль за ходом процесса и не
гарантируется его равномерность.
Радиационные способы легирования лишены перечисленных
недостатков. Они применяются после изготовления тиристора или
даже после его испытания и нечувствительны к деталям кремние-
вой тиристорной структуры. Существуют три вида облучения:
электронное, протонное и гамма-облучение.
Под воздействием излучения атомы кремния смещаются со
своих обычных мест в кристаллической решетке с образованием
вакансий и междоузельных атомов, которые в свою очередь
могут образовывать более сложные комплексы дефектов, напри
мер пары фосфор — вакансия, дивакансии и группы примесь
вакансия — междоузельный атом. Эти дефекты создают глубокие
центры рекомбинации в кремнии. Основным глубоким уровнем
после облучения электронами является дивакансия, расположен-
164
пая на 0,41 эВ ниже «дна» зоны проводимости [Evwarayc,
Baliga, 1977]. Этот уровень можно полностью ликвидировать
путем отжига при температуре 370° С в течение не более 20 мин.
Однако отжиг, проводимый после облучения электронами,
обусловливает появление другого глубокого уровня, расположен-
ного на 0,35 эВ ниже «дна» зоны проводимости. Он появляется
менее чем через 50 мин обработки при температуре 300° С, и на
его концентрации дальнейший отжиг при этой температуре ска-
зывается незначительно. Последующая термообработка при
температуре 370° С обусловливает снижение концентрации дан-
ного уровня на 50% менее чем за 60 мин.
Радиационные дефекты должны быть устойчивы при действии
возможных в процессе работы тиристора высоких температур.
Скорость отжига дефектов исследована в [Sun, 1977]. Автор
описал этот процесс уравнением
М(0
У/(0)
(5-2)
где Nt(t)— концентрация глубоких уровней после отжига в тече-
ние времени /; М(0)—начальная концентрация; /о0 и — по-
стоянные, определяемые уровнями легирования кремния, усло-
виями отжига и энергией глубоких уровней.
В [Sun, 1977] сделан вывод о том, что отжиг после облучения
необходим прежде всего для обеспечения стабильной работы ти-
ристора. У приборов, которые не были подвергнуты отжигу,
обычная максимальная рабочая температура составляет 150° С.
Отжиг при температуре 310° С в течение 5 ч обусловливает
надежное функционирование приборов при температурах до
200° С в течение длительного периода.
Поскольку концентрация глубоких уровней пропорциональна
дозе облучения, взаимосвязь между временем жизни т и дозой
<р выражается следующим уравнением:
т
=^-+/<<(,
То
(5.3)
где К — коэффициент радиационного повреждения, значение ко-
торого определяется видом облучения и энергией излучения,
удельным электрическим сопротивлением кремния и температу-
рой [Carlson, Sun, Assalit, 1977]. Дозу облучения следует выби-
рать с учетом конструкции приборов.
Установлено, что вид облучения задает не только коэффи-
циент радиационного повреждения, но и окончательное сочетание
характеристик мощных приборов в открытом состоянии и харак-
теристик восстановления.
Соотношение напряжения в открытом состоянии и заряда об
ратного восстановления мощных переключателей зависит от
энергии электронного пучка.
1Г.
Рис. 5.9. Зависимость соотношения времени жизни в области пространственного
заряда и времени жизни при высоком уровне инжекции от температуры для
кремния n-типа, легированного путем диффузии золота, платины или подвергну-
* того электронному облучению (ЭО)
Рис. 5.10. Изменение соотношения времени жизни при высоком и низком уровнях
инжекции в зависимости от значения удельного объемного электрического
сопротивления и температуры для основных уровней, созданных в кремнии п-типа,
легированном путем диффузии золота, платины или подвергнутом электронному
облучению (ЭО):
-------- 300 К;---------400 К; ... — 500 К
Удельное объемное электри-
ческое сопротивление ,0м-см
При исследовании влияния гамма-излучения оказалось, что
оно обеспечивает худшее сочетание характеристик, чем облуче-
ние электронами с наименьшей исследованной энергией 1,5 МэВ.
В [Carlson, Sun, Assalit, 1977] изучалась также диффузия
платины и золота и оценивались возможности различных мето-
дов в обеспечении согласования напряжения в открытом со-
стоянии и заряда обратного восстановления. В результате была
получена следующая «иерархия»: диффузия золота (наилучшие
результаты), облучение электронами с энергией 12 МэВ, об-
лучение электронами с энергией 3 МэВ, диффузия платины,
облучение электронами с энергией 1,5 МэВ, гамма-облучение
(худшие результаты).
Сравнение достоинств методов облучения электронами и диф-
фузии золота или платины проведено в [Baliga, Sun, 1977].
Авторы использовали уравнения (3.3) — (3.8) для расчета соот-
ношений времени жизни при высоких и низких уровнях инжек-
ции (т^/т^) и времени жизни в области пространственного
заряда и времени жизни при высоких уровнях инжекции (tsc/tw/.).
Зависимости, представленные на рис. 5.9 и 5.10, показывают,
что соотношение ihl/^ll имеет максимальное значение при диф-
166
фузии золота и минимальное при облучении электронами. Для
платины существует явно выраженная зависимость данного соот-
ношения от температуры и удельного электрического сопротивле-
ния.
Таким образом, золото обеспечивает наилучшее сочетание на-
пряжения в открытом состоянии и времени выключения, а леги-
рование платиной дает хорошие результаты при низком удельном
электрическом сопротивлении и пониженной температуре. Из
анализа кривых на рис. 5.9 очевидно, что диффузия платины и
облучение электронами обусловливают существенно меньшие
токи утечки, чем диффузия золота при том же времени жизни и
высоких уровнях инжекции.
Слабые токи утечки, связанные с облучением электронами
или гамма-облучением, желательны при регулировании времени
жизни в тиристорных структурах. При использовании золота не-
обходимо иметь широкую область н-базы для ограничения уси-
ления термостимулированного тока утечки. В случае облучения
электронами удается воспользоваться более узкой и-базой. По-
этому хотя сочетание напряжения в открытом состоянии •и вре-
мени выключения настолько хорошее, как при диффузии, оно
может быть существенно улучшено за счет конструирования
приборов с более узкой п-базой.
Типичные дозы облучения электронами составляют от 50 крад
до 1,5 Мрад, причем минимальные дозы применяются для регу-
лирования значения накопленного заряда низкочастотных тирис-
торов, а повышенные — для регулирования времени выключения
быстродействующих тиристоров.
Использование гамма-облучения несколько ограничено из-за
неблагоприятного сочетания напряжения в открытом состоянии
и времени выключения. Основным преимуществом гамма-излуче-
ния является его способность пронизывать очень толстые ме-
таллические элементы при минимальной потере дозы. Это позво-
ляет применять данный вид излучения для регулирования вре-
мени жизни в структурах готовых тиристоров [Carlson, Sun,
Assalit, 1977].
Комплектные приборы могут быть изготовлены на заказ с
обеспечением особенно узкого разброса таких их характеристик,
как накопленный заряд. Дозы, полученные при гамма-облучении,
обычно выше, чем при облучении электронами. Они изменяются в
диапазоне от 1 до 100 Мрад.
Рассмотрим в заключение высокоэнергетичное протонное из-
лучение. Преимущество использования пучка протонов заклю-
чается в возможности контроля глубины проникновения излуче-
ния. Например, для пучка протонов с энергией 3 МэВ глубина
проникновения составляет 100 мкм (при облучении электронами
она превышает 6 мм). Влияние протонов сходно с воздействием
ионной имплантации, т. е. происходит резкое увеличение коли-
167
Расстояние от поверхности
кремния , мкм
Рис. 5.11. Плотность дефектов в крем-
нии, созданных путем протонного об-
лучения с энергией 4 МэВ
чества радиационных дефектов в той области, где заканчивается
пробег протона (рис. 5.11). Поэтому при данной обработке мож-
но располагать зону с уменьшенным временем жизни ниже по-
верхности кремния в узком слое с четкими границами, что в
свою очередь позволяет осуществлять оптимальное регулирова-
ние любых характеристик переключения тиристора.
Теоретическое исследование, посвященное изучению отдель-
ной зоны с уменьшенным временем жизни в центре д-базы
[Temple, Hcrtroyd, 1983], подтвердило отличное сочетание вре-
мени выключения тиристора и напряжения в открытом состоя-
нии. Экспериментальные результаты применения протонов для
создания узких зон с небольшим временем жизни вблизи запи-
рающих переходов тиристора 11 и 12 представлены в [Sawko,
Bartko, 1983]. Совершенно очевидны преимущества данного ме-
тода по сравнению с другими видами облучения при изготовле-
нии тиристоров с высокими характеристиками. Его основной не-
достаток — необходимость проведения процесса в вакууме, что
связано с дополнительными расходами. Облучение электронами
можно осуществлять в воздушной среде.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предпочти-
тельными методами регулирования времени жизни неосновных
носителей заряда являются диффузия золота или облучение
электронами. Первый способ обеспечивает отличное сочетание
напряжения в открытом состоянии и времени выключения. Его
недостатки: большие токи утечки и существенные трудности в
обеспечении хорошей однородности и воспроизводимости
свойств. Гамма-облучение применяется для подгонки характерис-
тик приборов, собранных в корпусе, а использование протонов,
хотя и дорогой, но эффективный способ регулирования времени
жизни в заданных областях тиристора. Легирование платиной не
находит широкого применения из-за худших по сравнению с
легированием золотом результатов, особенно при высоких темпе-
ратурах и удельном электрическом сопротивлении.
5.7. Контакты мощных тиристоров
Электрические контакты мощного тиристора предназначены
для выполнения двух функций — подачи электрического тока к
полупроводниковому прибору и передачи тепловой энергии, вы-
деляемой тиристором, теплоотводу. Поэтому контакты тиристора
должны быть хорошими проводниками электрического тока и
тепла, иметь низкое контактное сопротивление и высокую стой-
кость к воздействию непрерывно изменяющихся температур.
При осаждении металла на поверхность кремния формирует-
ся контакт в виде барьера Шотки. Он является выпрямляющим
контактом, если не используется сильнолегированный кремний.
В последнем случае потенциальный барьер, обусловленный пере-
ходом металл — полупроводник, становится очень тонким и
электроны или дырки могут изменить свое положение в резуль-
тате процесса, называемого туннелированием [Sze, 1981].
Если туннелирование преобладает над проводимостью через
барьер, то обусловленное переходом металл — полупроводник
для кремния n-типа сопротивление
4n-\/esm*
Rc ~ ехр----------
Фа
М
(5.4)
где es — диэлектрическая проницаемость кремния; т* — эффек-
тивная масса электрона; h — константа Планка; <рв — высота
барьера Шотки; — концентрация доноров. Соответствующее
уравнение имеется и для кремния р-типа.
Очевидно, что значение контактного сопротивления Rc в зна-
чительной степени определяется высотой барьера и уровнем ле-
гирования. Поскольку фактически высота барьеров металлов
ограничивается 0,4—0,9 эВ, низкое электрическое сопротивление
гарантируется, при использовании высоколегированного кремния.
Контакты к полупроводникам с низким электрическим сопро-
тивлением называются омическими.
Существуют следующие методы обеспечения омических кон-
тактов мощных тиристоров: осаждение металла на сильнолеги-
рованный слой, например катодный эмиттер тиристора; приме-
нение сплавных контактов, в частности эвтектики золота и крем-
ния для слоев n-типа или эвтектики алюминия и кремния для
слоев p-типа (см. п. 5.3.5); преднамеренное «повышение» поверх-
ностной концентрации в процессе диффузии с образованием соот-
ветствующих поверхностей п + - или р+-типа, которые затем ме-
таллизируются, и, наконец, использование процесса спекания.
В последнем случае слой металла нагревают до температуры
ниже температуры сплавления, что обусловливает его проникно-
вение в кремний и иногда формирование силицидов металлов,
существенно снижающих высоту барьера Шотки. Перечень
169
металлов, традиционно применяемых для металлизации кремния,
дан в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Характеристики металлов, применяемых для изготовления
контактов тиристоров
Металл Коэффици- ент линей- ного расши- рения A/// при 20° С. 10-б oC-i Температура плавления металла, °C Температура плавления эвтектики кремния и другого ме- талла, °C Удельное объемное электрическое сопротивление при 20° С, 10 Ом*см Тепловое сопротивле- ние при 20° С, °С-(см/Вт) Удельная теплоем- кость при 20° С, Дж/(Г'°С)
Si Ag 2,33 1415 — — 0,69 0,70
19,7 961 840 1,59 0,83 0,24
Al 24,0 660 577,2 2,7 0,45 0,90
Au 14,2 1063 370 2,35 0,33 0,13
Си 16,5 1083 802 1,72 0,25 0,38
Fe 11,8 1537 1200 9,7 1,24 0,44
Mo *4,9 2617 1410 5,2 0,724 0,27
Ni 13,3 1453 964 7,0 1,1 0,44
Pt 8,9 1722 830 10,6 1,45 0,13
Ti 8,4 1660 1330 42,0 6,4 0,52
W 4,6 3410 1400 5,9 0,6 0,13
Выбор соответствующего омического контакта определяется
технологией’монтажа тиристора в корпусе, содержащем электри-
ческие и термоконтакты. При монтаже (сборке) тиристора
электроды или проволока присоединяются к омическим контак-
там прибора (рис. 5.12).
Проволочное соединение обеспечивается путем ультразвуко-
вой или компрессионной сварки тонкой проволоки и металлиза-
ции кремния. Проволока может быть изготовлена из золота или
алюминия. Для металлизации кремния обычно используется тот
же металл, из которого сделана проволока. Контакт данного
типа пригоден только для тиристоров, рассчитанных на слабые
токи, по двум причинам.
Во-первых, проволока создает значительное электрическое
сопротивление, так как для получения соединения с хорошими
характеристиками ее диаметр должен быть небольшим (как пра-
вило, менее 0,3 мм). Во-вторых, проволочное соединение не
способствует отводу тепла от тиристора.
Рассмотрим теперь паяные контакты. Низкотемпературные
припои представляют собой следующие соединения: свинец —
олово, свинец — олово — серебро и свинец — индий — серебро,
точка плавления которых находится в диапазоне от 180 до
320° С. Данные припои обычно используются для непосредствен-
ного присоединения тиристора к медному электроду. Поскольку
площадь поперечного сечения медного электрода может быть по
меньшей мере такой же, как и площадь сечения тиристора,
припои функционируют как эффективные проводники тепла и
низкоомные электрические контакты.
170
Проволочный
ВыВов
Омический
Рис. 5.12. Контакты мощных тиристоров:
а—проволочное соединение; б — паяный контакт; в — контакты, сформированные
путем компрессии
Металлизация кремния, обычно применяемая при паяных кон-
тактах, основана на никеле. Его, как правило, покрывают сереб-
ром или золотом для улучшения смачиваемости припоя. При
плохой смачиваемости в слое припоя создаются пустоты, которые
при определенных условиях обусловливают повышенные тепловое
и контактное сопротивления. Одним из преимуществ припоев на
основе свинца является значительное сопротивление термической
усталости.
При работе тиристора он подвергается многократному воз-
действию температур, отклоняющихся от номинального значения.
Из-за плохого сочетания коэффициентов теплового расширения
кремния и медного электрода (табл. 5.1) медь расширяется боль-
ше кремния, в результате чего в слое припоя создается напря-
жение. У припоев на основе свинца наблюдается пласти-
ческая деформация при сравнительно низких температурах в
процессе отжига напряжения. Эта деформация предотвращает
также передачу механического напряжения кремнию, что могло
171
бы вызвать образование в нем трещин [Lang, Fehder, Williams,
1970].
При большом поперечном сечении тиристора низкотемпера-
турный припой нельзя наносить непосредственно на медь. Это
связано с тем, что напряжение, вызванное плохим соответствием
коэффициентов теплового расширения кремния и меди, становит-
ся значительным и припой будет постоянно деформироваться.
/Для решения данной проблемы можно, например, поместить
между кремнием и медью пластину из вольфрама или молибдена
с соответствующим коэффициентом теплового расширения
(табл. 5.1). В этом случае необходимы два слоя припоя, однако
механическое напряжение каждого слоя уменьшается.
При использовании «компенсационной» пластины из молиб-
дена или вольфрама кремний можно подвергать пайке высоко-
температурным припоем. Если данный процесс осуществляется
традиционнйм методом, то отдельный слой металла для форми-
рования омического контакта к кремнию не требуется, так как в
качестве высокоплавких припоев применяются эвтектики Au —
Si или Al — Si. При изготовлении сильноточных контактов к
аноду мощных тиристоров в тех случаях, когда кремниевая
пластина прикрепляется к молибденовым или вольфрамовым
компенсационным дискам, как правило, используется высокотем-
пературный припой А1 — Si. Полученная структура называется
«базовым элементом» и применяется в тех случаях, когда кон-
такт между электродами и «базовым элементом» формируется
под действием высоких осевых нагрузок, т. е. путем компрессии
(рис. 5.12, в).
Образование «базового элемента» Мо— Si или W — Si осно-
вано на процессе сплавления. Кремниевая и компенсационная
пластины прижимаются к пленке эвтектики А1 — Si и затем вся
структура нагревается до температуры выше ее точки плавления
(577° С). При этом одновременно происходит сплавление эвтек-
тики А1 — Si с кремнием и взаимодействие с металлической
компенсационной пластиной.
При охлаждении на кремниевом анодном эмиттере форми-
руется рекристаллизованный легированный слой р + -типа, кото-
рый припаивается к пленке А1 — Si и компенсационной плас-
тине. Одной из проблем, характерных для «базового элемента»
данного типа и обусловленной различными коэффициентами ли-
нейного расширения кремния и молибдена или вольфрама, яв-
ляется изгибание биметаллического элемента и возникновение
механического напряжения в кремнии.
Для тиристоров некоторых типов система с прижимными
контактами может быть реализована путем непосредственного
приложения компенсационной пластины из молибдена к кремнию
без пайки высокотемпературным припоем [Prough. Knobloch,
1977]. В этом случае предполагается, что у тиристора обеспечен
172
Рис. 5.13. Принципиальная схема, демонстриру-
ющая применение структурированной меди при
'Изготовлении контактов мощных тиристоров:
а — высокая температура; б — низкая температура
тонкий омический контакт с наружны-
ми поверхностями катода и анода, а
компенсационные диски прижимаются
непосредственно к омическому кон-
такту (рис. 5.12, в).
Данная структура обладает не-
сколькими преимуществами [Prough,
Knobloch, 1977]: в связи с отсутствием
припоя снижается уровень термической
усталости, исключается изгибание би-
металлического элемента из-за плохого
сочетания коэффициентов линейного
расширения и обеспечивается плоско-
стность базового элемента и более
равномерный прижимной контакт.
Одно из решений проблемы, связанной с возникновением
напряжения из-за изгибания биметаллического элемента, пред-
ложено в [Glascock, Webster, 1983]. В этом случае кремний
соединяется с медным электродом с помощью структурированной
меди. Она состоит из большого количества медных проволок,
образующих тугую связку. Каждая проволока или волокно имеет
возможность перемещаться независимо друг от друга, поэтому
несоответствия, возникающие при тепловом расширении, легко
устранимы (рис. 5.13).
Структурированная медь способна полностью амортизировать
перемещения кремния и меди при термообработке и охлаждении.
Таким образом, эффекты, связанные с термической усталостью,
в значительной степени устраняются при сохранении высоких
теплотехнических и электрических свойств медного электрода.
Другой альтернативой компенсационным пластинам из мо-
либдена или вольфрама является применение композиционного
материала из меди и углерода. В этом случае [Arakawa, Капа,
1983] углеродные волокна встраиваются в медную матрицу. Теп-
лопроводность и электрическая проводимость материала почти
такие же, как у меди, а коэффициент линейного расширения
ближе к кремнию по сравнению с молибденом или вольфра-
мом. Как и при использовании структурированной меди, воз-
можно непосредственное соединение данного материала с крем-
нием путем пайки с обеспечением лучшего контакта, чем тради-
ционными методами.
Создание контакта к управляющему электроду в ряде слу-
чаев требует специального подхода. Как видно из конструкции
управляющего электрода (§ 3.5), может возникнуть необходи-
173
мость пропускания сильных токов вдоль зубцов управляющего
электрода гребенчатой конструкции к управляющему выводу в
центре тиристора. Поэтому толщина металлизации управляюще-
го электрода и значение удельного объемного электрического
сопротивления металла очень важны. Из табл. 5.1 следует, что
удельное сопротивление алюминия и золота по сравнению с ни-
келем гораздо ниже, в связи с чем предпочтительнее исполь-
зовать эти материалы для создания контакта к катоду тиристо-
ров со встречно-гребенчатой геометрией.
5.8. Пассивация поверхности перехода
В п. 2.2.4 обсуждались профили поверхности, обеспечиваю-
щие предотвращение пробоя перехода в месте его выхода на
поверхность кремния. Рассматривались канавки и углубления,
полученные’путем травления, и структуры с фаской, изготовлен-
ной с применением механической обработки. Однако во всех
случаях на профилированную поверхность требуется наносить
покрытие из диэлектрика или пассивирующий слой в связи с
действием на поверхность кремния сильных электрических полей.
Конкретные требования к пассивирующему слою в значительной
степени определяются деталями конструкции тиристора, его мон-
тажом и областью применения. Отметим ряд свойств материала
покрытия, которые необходимо учитывать в первую очередь:
1) высокая диэлектрическая прочность;
2) совместимость с другими материалами, использованными
при изготовлении и монтаже тиристора;
3) стойкость при действии электрической нагрузки. Покры-
тие может содержать электрический заряд в объеме или на гра-
нице раздела с кремнием. Если заряд подвижен, то происходит
его перемещение под действием электрического поля и как след-
ствие возрастает ток утечки тиристбра;
4) стойкость к эффектам, связанным с термической уста-
лостью и обусловленным расширением и сжатием тиристорной
структуры при работе прибора. Материал покрытия должен
иметь высокий предел текучести или подвергаться пластической
деформации без ухудшения свойств при большом количестве
термических циклов;
5) покрытие следует наносить или до металлизации (в этом
случае на него не должны действовать температуры, при кото-
рых происходит спекание или сплавление контактов) или после
нее, если температуры, действующие при формировании покры-
тия, недостаточно высокие, чтобы повредить металлизацию ти-
ристора.
Материалы, пригодные для пассивации, подразделяются на
две основные группы: твердые и мягкие. Материалы первой
группы, к которым относятся стеклообразная фритта, диоксид
174
кремния и поликристаллический кремний, обычно применяются
перед последней металлизацией, так как в этом случае, как пра-
вило, требуется высокотемпературная обработка. Многие пасси-
вирующие материалы наносятся после металлизации. К ним
относятся кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды,
отверждаемые при температурах ниже температуры метал-
лизации.
5.8.1. Стеклообразная фритта
Пассивирующий слой из стеклообразной фритты традиционно
применяется для тиристоров со слабыми токами и напряжением
пробоя до 1200 В. В таких приборах можно использовать прос-
тые профили, реализованные путем травления (2.2.4.3). Они
формируются до проведения металлизации и разделения тирис-
торных структур. Фритту получают из суспензии в виде тонко-
дисперсного стеклянного порошка в каком-либо связующем (на-
пример, изопропиловом спирте). Затем связующее выжигают, а
стекло расплавляют при высокой температуре с образованием
соответствующего покрытия на поверхности перехода. Известно
три основных метода нанесения стекла: с помощью ножевого
устройства, электрофореза и центрифуги.
В первом, наиболее простом случае суспензия распределяется
по поверхности кремния ножевым устройством, изготовленным,
например, в виде бритвы. Данный метод не позволяет контро-
лировать с высокой точностью толщину покрытия из стекла. При
электрофорезе прибор помещают в сосуд со встроенным электро-
дом из благородного металла, наполненный суспензией на основе
стекла. Если сам прибор выступает в качестве катода, а другой
электрод является анодом, то частицы перемещаются к катоду
и поверхность тиристора равномерно покрывается порошком
стекла.
Для обеспечения более равномерного протекания процесса
осаждения в суспензию часто вводят различные добавки, на-
пример фтористоводородную кислоту. Преимуществами электро-
фореза являются высокая однородность слоя стекла и детальное
повторение им рельефа поверхности кремния. Кроме того, воз-
можно избирательное маскирование поверхности кремния для
предотвращения осаждения стекла на металлические контактные
площадки. Применение центрифуги также обеспечивает высокую
равномерность при осаждении.
В этом случае кремниевая пластина тиристора помещается
на дно сосуда и покрывается суспензией на основе стекла. После
этого сосуд ставят в центрифугу, где при его вращении стекло
вытесняется и осаждается на поверхности тиристора. В отли-
чие от электрофореза вводить добавки для поддержания высокой
равномерности процесса не требуется, так как при использовании
175
центрифуги скорость осаждения не зависит от электрохимическо-
го состояния поверхности кремния.
После осаждения связующее выжигается при температуре
ниже температуры плавления стекла. Эта стадия обработки
очень важна, поскольку при ее исключении следы связки могут
изменить структуру расплавленного стекла. Затем температуру
поднимают выше температуры плавления стекла и происходит
соединение частиц. Температура плавления стекла в зависимости
от его состава обычно равна 650—900° С. В идеале она должна
быть настолько низкой, чтобы процесс плавления оказывал
самое незначительное влияние на диффузионные слои тиристор-
ной структуры и температурное напряжение было минимальным.
Кроме того, если возможно, требуется обеспечить проведение
металлизации перед стеклованием. К сожалению, у стекол с низ-
кой температурой плавления высокие коэффициенты теплового
расширений. Поэтому не исключено растрескивание стекол при
использовании толстых слоев, хотя они и обладают высокой
электрической прочностью. Для пассивации мощных приборов
используются, в частности, свинцовоалюмосиликатные и цинко-
боросиликатные стекла.
Первые характеризуются низким коэффициентом теплового
расширения, поэтому их целесообразно применять для толстых
пассивирующих слоев [Assour, Bender. 1977], [Flowers, Hughes,
1982]. Вторые отличаются более высокой термической стабиль-
ностью. Их электрическая прочность также выше, однако по
сравнению со стеклами на основе свинца у них повышенная
температура плавления.
Важными характеристиками стекла и процесса его осаждения
являются величина и тип стационарного заряда в стекле. Как
следует, например, из рис. 2.16, эти показатели могут влиять
на протяженность области пространственного заряда у пере-
хода. Для р+—n-перехода требуется определенный отрица-
тельный заряд, так как он способствует расширению области
пространственного заряда и снижению максимальной напряжен-
ности электрического поля у поверхности. Однако слишком боль-
шой стационарный заряд приводит к чрезмерному расширению
границ области пространственного заряда, смыканию в n-базе и
соответственно высокому току утечки. Величина и разновидность
стационарного заряда в стекле зависят от типа стекла и условий
плавления. Цинкоборосиликатное стекло приобретает только по-
ложительный заряд, значение которого уменьшается при повы-
шении температуры плавления и добавлении азота в кислород-
ную среду [Misawa, 1981]. У свинцовоалюмосиликатного стекла
имеется отрицательный заряд, увеличивающийся при возраста-
нии содержания кислорода в газообразной среде в процессе оп-
лавления [Flowers, Hughes, 1982].
176
5.8.2. Термические оксиды
Несмотря на то что эти оксиды широко применяются для пас-
сивации рассчитанных на низкое напряжение приборов, они ред-
ко используются в мощных тиристорах. Это связано в первую
очередь с тем, что слой термического оксида содержит подвиж-
ный заряд, взаимодействующий с сильными электрическими по-
лями, имеющимися у поверхности мощного тиристора, что
может привести к нестабильности и «мягким» характеристикам
пробоя.
Однако термические оксиды используются для пассивации
низковольтного перехода катод — управляющий электрод запи-
раемых тиристоров. Пробой перехода происходит при 20—30 В,
а пассивация термическим оксидом при этом уровне напряжений
очень эффективна. Другим недостатком рассматриваемого про-
цесса пассивации является высокая температура выращивания
оксида, ограничивающая сферу его применения тиристорными
структурами, стойкими к действию температурных напряжений,
возникающих при формировании пассивирующего слоя. Прибо-
ры, у которых снимается фаска или вытравливаются углубле-
ния, не пригодны для пассивации термическим оксидом, так как в
процессе образования профиля в кремниевой пластине возникают
механические напряжения. Кроме того, существует высокая ве-
роятность механического повреждения кремния при высокотемпе-
ратурном оксидировании.
Альтернативой высокотемпературному оксидированию явля-
ется выращивание оксида при низкой температуре и нанесение
на образовавшийся очень тонкий слой других диэлектриков.
5.8.3. Пассивация полуизолирующим поликристаллическим
кремнием
Слои полуизолирующего поликристаллического кремния фор-
мируются путем осаждения из газовой фазы при низком давле-
нии с применением смесей SiH4—N2O—Ns и SiH4—NH3—N2. При
этом получают легированные кислородом или азотом пленки. Ле-
гированный кислородом кремний — электрически нейтральный
материал с очень высоким удельным электрическим сопротивле-
нием, изменяющимся в диапазоне от 107 до 10й Ом-см, и со-
держанием атомов кислорода 10 и 35% соответственно [Matsu-
shita, Aoki, Ohtsu, 1976].
Слой поликристаллического кремния, легированного азотом,
является эффективным барьером для большинства ионных за-
грязнений. Применение для пассивации мощных приборов много-
слойной системы, включающей легированный кислородом или
азотом кремний и диоксид кремния, изучалось в [Matsuchita,
Aoki, Ohtsu, 1976] и [Mimura, 1985].
177
Рис. 5.14. Система пассивации с
применением полуизолирующего поли-
кристаллического кремния:
1 — полуизолирующий поликристалличе-
•ский кремний, легированный азотом; 2—
то же, но легированный кислородом; 3 —
ток
Одна из возможных систем пассивации представлена на
рис. 5.14. Она включает в себя легированный кислородом слой
на поверхности кремния, покрытый тонким слоем легированного
азотом кремния. Последний защищает нижний слой полуизоли-
рующего поликристаллического кремния от ионных загрязнений.
Верхнее покрытие, т. е. толстый слой SiO2, необходимо, так как
тонкий слой легированного азотом кремния имеет недостаточную
электрическую прочность.
Если переход смещен в обратном направлении, то напря-
жение смещения прикладывается также и к полуизолирующему
поликристаллическому кремнию. В последнем появляется ток,
т. е. он оказывается под большим отрицательным смещением. Это
явление сходно с полевым эффектом и вызывает релаксацию по-
верхностного поля по мере расширения области пространст-
венного заряда в n-базе. Данный эффект поля усиливается при
уменьшении значения удельного сопротивления полуизолирую-
щего поликристаллического кремния, однако при этом, к сожа-
лению, возрастает также ток и соответственно ток утечки пере-
хода.
Таким образом, правильный выбор значения удельного сопро-
тивления исходя из содержания кислорода в полуизолирующем
поликристаллическом кремнии является решающим фактором
при обеспечении оптимальных условий процесса. Поскольку эф-
фект релаксации поля и ток утечки зависят от удельного сопро-
тивления, профилей распределения примесей в переходах и
рельефа их поверхности, необходимо создавать слои полуизоли-
рующего поликристаллического кремния с оптимальными свой-
ствами для тиристоров различной конструкции.
В связи с применением процесса химического осаждения из
газовой фазы при формировании слоев полуизолирующего поли-
кристаллического кремния граница раздела между ним и моно-
кристаллическим кремнием чувствительна к загрязнениям, источ-
ником которых являются газы в печи для осаждения. Для реше-
178
ния этой проблемы в [Mimura е. а., 1985] предложено исполь-
зовать структуру SЮг — полуизолируюший поликристаллический
кремний — SiO2. При пассивации кремниевый переход сначала
покрывается слоем термически выращенного оксида, на который
затем наносится полуизолирующий поликристаллический кремний.
В этом случае ток утечки меньше, чем при традиционной пас-
сивации с применением полуизолирующего поликристаллического
кремния. Кроме того, возможно дальнейшее снижение тока утеч-
ки в результате геттерирования слоя термического оксида под
полуизолирующим поликристаллическим кремнием путем осаж-
дения фосфоросиликатного стекла. Это улучшение объясняется
меньшим током, генерируемым на поверхности, что связано с
применением более чистого процесса термического оксидирова-
ния при формировании первого слоя, а не химического осажде-
ния из газовой фазы поликристаллического кремния.
5.8.4. Кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды
Рассмотренные твердые пассивирующие материалы могут
быть использованы в корпусах с недостаточно надежной гермети-
зацией, например пластмассовых. Мягкие же пассивирующие ма-
териалы, к которым относятся кремнийорганические каучуки,
смолы и полиимиды, предназначаются, как правило, для приме-
нения в герметичных корпусах.
У низковольтных приборов они наносятся на выход перехода
или фаску, сформированную путем механической обработки.
Фаска предварительно подвергается химическому травлению с
целью удаления механических повреждений на поверхности и
химической очистке для устранения каких-либо ионных загряз-
нений. Материалы для мягкой пассивации наносятся в жидком
виде, например, с помощью шприца, а затем отверждаются
при температурах не выше 300° С.
В связи с низкой температурой отверждения их можно нано-
сить после металлизации тиристора. Другим преимуществом это-
го метода является стойкость покрытий к термической усталости.
В перспективе не исключается их применение в качестве пасси-
вирующих слоев для тиристоров, рассчитанных на сильные токи
и высокие напряжения, когда выход перехода на фаску занимает
большую поверхность.
В то же время мягкие пассивирующие материалы очень чувст-
вительны к ионным загрязнениям, особенно поступающим с вла-
гой. Однако рассматриваемая проблема более актуальна для
кремнийорганических каучуков, чем для смол и полиимидов.
Мягкие материалы для пассивации обычно не используются в
корпусах с недостаточно надежной герметизацией. В первую оче-
редь это относится к пластмассовым корпусам, а также содержа-
щим наполнители, которые могут способствовать попаданию в
179
пассивирующие слои ионных примесей, например натрия. Для
высоковольтных приборов с корпусами из стекла и металла или
металлокерамики, заполненными инертными газами, мягкие пас-
сивирующие материалы предпочтительнее, так как в этом случае
обеспечиваются высокая надежность и устойчивые характерис-
тики в течение длительного периода эксплуатации прибора.
Глава 6
ТЕПЛОВОЕ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
6.1. Тепловые свойства
Во время работы мощного тиристора выделяется тепло,
обусловленное рассеянием электрической мощности при различ-
ных переходных процессах и условиях установившегося состоя-
ния. При работе на низкой частоте основной источник мощности
рассеяния — это прямое падение напряжения и ток в открытом
состоянии. Источником мощности рассеяния являются также
блокирующее напряжение и ток утечки в закрытом состоянии.
На высоких частотах, особенно свыше 500 Гц, становятся
весьма существенными коммутационные потери, связанные с
переходным процессом включения и выключения тиристора. Еще
одним источником тепловой энергии являются управляющий ток
и управляющее напряжение при включении и в состоянии про-
водимости тиристора, а также при выключении запираемого
тиристора. Необходимо удалить тепло из тиристора со скоростью,
по крайней мере равной той, с которой оно выделяется при
нагревании, для того чтобы предотвратить развитие ситуации
неуправляемого возрастания мощности. Особенно важно обеспе-
чить выполнение условия термического равновесия, когда выде-
ляемая мощность равна рассеиваемой мощности, когда темпера-
тура не превышает 125° С. Если температура тиристора выше
125° С, то тепловой генерационный ток утечки может вызвать
переключение прибора неконтролируемым способом и соответ-
ственно затем его разрушение. Тепловые характеристики тирис-
тора обусловливают превращение электрической энергии в тепло-
вую и то, каким образом тепло отводится от прибора.
В установившихся режимах повышение температуры тиристо-
ра определяется исходя из обшей мощности рассеяния прибора,
теплового сопротивления тиристора и его системы охлаждения.
Например, если Р — рассеиваемая мощность, Rth — тепловое
сопротивление тиристора между кремнием и охлаждающей по-
верхностью или охладителем, то повышение температуры крем-
ния выше температуры охладителя определяется выражением
Д7’=/?/аР. (6.1)
180
Температурой кремниевого тиристора в общем случае назы-
вается температура перехода или, наиболее корректно, мгновен-
ная эффективная температура перехода. Эта характеристика
позволяет избежать точного измерения максимальной темпера-
туры тиристора. В открытом состоянии, например, у тиристора
три перехода смещены в прямом направлении, а инжекция дырок
и электронов в поперечном сечении этих переходов вызывает
либо выделение тепла, либо его поглощение. Оба эти процесса
обусловлены термоэлектрическими эффектами [Jaumot, 1958].
Когда тиристор выключен, ток утечки обычно распределяется
неоднократно вдоль прибора, образуя локальный нагрев, в то
время как при его включении и выключении ток в основном
концентрируется в особых областях прибора (вблизи управляю-
щего электрода при включении или в областях с большим
временем жизни неосновных носителей заряда при выключении).
Поскольку невозможно знать точное распределение темпера-
туры в тиристоре, за фактическую температуру перехода при-
нимается температура в плоскости, параллельной основному бло-
кирующему переходу прибора и находящейся в его центре. Дан-
ное утверждение справедливо только в том случае, когда дли-
тельность прикладываемого импульса тока значительно больше,
чем время распространения тепла через прибор. Последнее, на-
пример, обычно меньше 1 мкс для толщины кремниевого прибо-
ра 250 мкм [Blicher, 1976].
Если к тиристору приложить короткий импульс тока, то мож-
но определить временную зависимость теплового сопротивления.
Кривая временной зависимости теплового сопротивления показы-
вает, что для коротких импульсов значение теплового сопротив-
ления значительно меньше, чем для импульсов установившейся
длительности. Это происходит потому, что прибор обладает теп-
ловой емкостью Cth (аналогичной электрической емкости) и тем-
пература не будет достигать своего максимального значения,
если импульс, подводящий тепло, меньше по амплитуде, чем теп-
ловая постоянная:
tlh = RthClh, (6.2)
где Rlh — тепловое сопротивление тиристора в стационарном
состоянии.
Как тепловое сопротивление, так и тепловую емкость можно
рассчитать с помощью следующих выражений для материала
массой т, удельной теплоемкостью Sp, теплопроводностью Kth
'и для теплового потока, направленного вдоль длины z перпен-
дикулярно площади А:
= (6.3)
Л"! Ки, А ’ к ’
Cth = Sf>m. (6.4)
181
Рис. 6.1. Тепловая схема тиристора, соеди-
ненная с системой охлаждения:
/ — тиристор; 2,4 — припой; 3 — молибден; 5 —
медь; 6 — охладитель
В реальном приборе тиристор соединяется с системой охлаж-
дения через электроды и компоненты корпуса. Например, на
рис. 6.1 показан прибор, в котором тепло отводится через молиб-
деновые и медные слои. Точный анализ потока тепла этой или
любой другой структуры можно выполнить, используя обобщен-
ное уравнение теплопроводности
(6.5)
где
Здесь Dlh -у коэффициент тепловой диффузии; do — плотность
материала; Qth — тепловая энергия, выделяющаяся в единице
объема. Уравнение (6.5) может быть решено численными мето-
дами, что обеспечивает получение точных данных о температуре
тиристора.
Однако в большинстве случаев для определения потока
тепла тепловая схема заменяется ее электрическим эквивалентом.
Аналогом электрической схемы теплового потока, показанной на
рис; 6.1, является схема, изображенная на рис. 6.2. Тепловое
сопротивление и тепловая емкость вычисляются для всех компо-
нентов схемы. Тепло, выделяемое, тиристором, изображается
источником тока, который осуществляет распределение падения
напряжения вдоль аналоговой схемы, соответствующее распреде-
лению температуры. Таким образом, тепловой поток можно
определить с помощью теории линейных цепей непосредственно
для расчета этой эквивалентной цепи.
Рис. 6.2. Электрический аналог тепловой схемы прибора, показанный на рис. 6.1.
182
В установившемся режиме без учета емкостей расчеты еще
больше упрощаются. В этом случае эквивалентная схема стано-
вится чисто резистивной и превышение температуры тиристора
над температурой окружающей среды характеризуется произве-
дением рассеиваемой мощности и суммарного сопротивления
/?т (Ят — сумма всех тепловых компонент тепловых сопротив-
лений). Тепловые характеристики для материалов, используемых
в силовых тиристорах, приведены в табл. 5.1. Эти сведения
могут быть использованы для расчета тепловых параметров неко-
торых типов тиристоров.
6.2. Проектирование корпусов силовых тиристоров
Критерий, на основании которого осуществляется выбор кор-
пуса тиристоров данного типа, в значительной степени опре-
деляется условиями применения прибора и его вольт-амперной
характеристикой. Исходя из условий применения прибора выби-
раются его способы охлаждения, занимаемый объем, характе-
ристики по мощности, окружающая рабочая температура и стои-
мость. На основании вольт-амперной характеристики тиристора
определяются габариты корпуса, требования к изоляции, способ
монтажа, система контактов и некоторые детали внутри корпуса.
При проектировании корпусов тиристоров необходимо учиты-
вать следующие ограничения.
1. Корпус должен обладать низкими тепловым и электри-
ческим сопротивлениями между кремниевой пластиной и внеш-
ним контактом.
2. Корпус должен иметь высокую прочность. Речь идет об
обеспечении механической прочности, стойкости к вибрации и
удару и требуемого уровня сопротивления термической уста-
лости.
3. Корпус должен быть герметичным, чтобы можно 'было
помещать в рабочую среду. С одной стороны, требуется высокий
уровень герметичности, поскольку рабочая среда, в которую он
помещается, не всегда известна, а с другой стороны, исходя из
соображений экономии изготовители могут поставлять негерме-
тичные корпуса, что указывается в сопроводительной докумен-
тации.
4. Наряду с другими правилами конструирования следует
иметь в виду стоимость материалов и цену сборки. В большинст-
ве случаев из-за того, что необходимо учитывать стоимость ма-
териалов, не всегда правильно выбирают оптимальное тепло-
вое сопротивление или прочность.
Хотя существуют различные варианты корпусов тиристоров,
их все можно объединить в пять основных типов, а именно:
дискретные пластмассовые, пластмассовые модульные, штыре-
183 ;
s Рис. 6.3. Дискретные пластмассовые тиристоры
вые, с плоским основанием и таблеточные. Примеры этих кор-
пусов показаны на рис. 6.3—6.7.
Поскольку дискретный пластмассовый (рис. 6.3) корпус не
герметичен, тиристорная пластина должна иметь подходящую
защиту фаски, для чего используется стекло или твердая пасси-
вация. Напряжение пробоя прибора обычно ограничивается ве-
личиной менее 1600 В. Этот тип корпуса является идеальным
для дешевых силовых тиристоров, которые, например, предназ-
начаются для бытовой техники. Пластмассовые корпуса имеют
низкую стоимость и широко применяются по двум причинам:
во-первых, из-за низкой стоимости самих корпусов, которые
можно производить большими сериями, и, во-вторых, благодаря
возможности использования техники автоматической сборки.
Пластмассовые модули по виду напоминают дискретный при-
бор, однако могут состоять из двух 'тиристоров или комбинации
тиристора и диода в виде субсборки инвертора (модулятора)
[Neidig, 1984]. Эти приборы монтируются на изолирующем осно-
вании с использованием алюминиевой керамики в качестве изо-
лирующей прокладки. Алюминиевая керамика обеспечивает хо-
рошую электрическую изоляцию между выпрямительным эле-
ментом и основанием прибора. Ее теплопроводность также
является достаточно высокой (хотя и не так высока, как у окиси
бериллия или алмаза), а коэффициент линейного расширения
близок к коэффициенту линейного расширения кремния, что по-
зволяет свести до минимума проблему термической усталости.
Новой интересной альтернативой материала для изолирующей
прокладки является нитрид алюминия. Этот материал может
заменить алюминиевую керамику и, вероятно, будет широко
использоваться в будущем. Алюминиевая керамика имела пре-
имущественное применение, потому что ее можно непосредствен-
184
но соединять с медью [X'ekiig, 1984]. В результате образуются
эвтектики меди с родственной ей окисью меди при температуре
плавления близкой к 1070° С.
Обычно структура тиристора напаивается на медный слой,
покрывающий керамическое основание, и приборы диаметром до
15 мм (обычно на средний ток 90 А) могут быть собраны в
такой блок. Катодный контакт может быть прижимным или
паяным. Пластмассовые модули иногда также имеют прижимной
контакт с основанием. Эта конструкция весьма полезна в случае
приборов, рассчитанных на большие чоки, где необходимо иметь
более совершенные контакты.
Пластмассовые модули весьма привлекательны для пользова-
телей, потому что их легко монтировать в силовых цепях и уста-
новочными винтами крепят к охладителю без каких-либо допол-
нительных изолирующих прокладок. Тиристорные структуры
при сборке в пластмассовый модуль должны быть пассивиро-
ваны твердым покрытием, и обычно блокирующая способность
их ограничивается 1600 В.
Корпуса в штыревом исполнении (рис. 6.5) являются хоро-
шим компромиссом между низким тепловым сопротивлением и
сложностью монтажа. Эти корпуса используются для дискретных
тиристоров на токи в пределах от 5 до 150 А. Тиристорная
структура напаивается на штыревое основание, выполненное из
меди для обеспечения лучшей теплопроводности, а контакты
припаиваются к катодному и управляющему электродам.
Рассматриваемая конструкция герметична: структура защи-
щается крышкой, которая имеет трубки для катодного и управ-
ляющего выводов. Крышка устанавливается на основание прибо-
ра и после наполнения корпуса инертным газом запаивается.
Конструкция крышки обеспечивает изоляцию корпуса, так как
правильно сконструированные выводы катода, управляющего
электрода и анода должны быть разнесены в пространстве для
обеспечения защиты от пробоя между ними при высоком напря-
жении.
Поскольку тиристор в этом случае защитен герметичным
корпусом, можно использовать любой стандартный вид пассива-
185
Рис. 6.5. Тиристоры штыревого типа
ции, позволяющий, если потребуется, применять высоковольтные
тиристорные структуры. Структура тиристора непосредственно
припаивается к медному штыревому основанию, которое в свою
очередь привинчивается к охладителю, поэтому тепловое сопро-
тивление между структурой и охладйтелем очень мало. Однако
при этом невозможно обеспечить электрическую изоляцию от
корпуса; охладитель будет в основном находиться под потен-
циалом анода.
Прибор в корпусе с плоским основанием показан на рис. 6.6.
Он может содержать напаянную структуру и в этом случае очень
похож на тиристор со штыревым основанием. Следует заметить,
что прибор на рис. 6.6 очень просто изолировать с помощью
тонкой изолирующей пленки между его основанием и охлади-
телем. Прибор в корпусе с плоским основанием может также
иметь прижимной контакт. В корпусе тиристора с прижимным
контактом выпрямительный элемент находится под давлением,
создаваемым внутренней пружиной. Такой тип корпуса приме-
няется в более мощных тиристорах, чем в случае с паяными
контактами (на средний ток более 200 А), и если необходим
более простой монтаж. Прибор помещается на охладитель и
скрепляется с ним болтами по четырем углам основания.
186
Рис. 6.6. Тиристор с плоским основанием
Корпус таблеточного типа с прижимными контактами пока-
зан на рис. 6.7. Он не содержит внутреннего прижимного устрой-
ства, и, следовательно, используется внешнее прижимное устрой-
ство. Как и на рис. 5.12, в, корпус имеет молибденовую про-
кладку, которая давит на кремний (в некоторых конструкциях
может включаться мягкая серебряная фольга между молибде-
ном и выпрямительным элементом в качестве границы раздела,
которая поглощает неровности и улучшает тепловой контакт).
Внешние электроды корпуса изготавливаются из меди.
Молибден выбирается в качестве границы раздела между хоро-
шо проводящей медью и кремниевой структурой потому, что
его коэффициент теплового расширения скорее соответствует
кремнию, чем меди, и сводит до минимума термические напря-
жения. Электроды и структура тиристора «охватываются» ке-
Рис. 6.7. Тиристоры таблеточного типа
187
рамическим кольцом (обычно из алюминиевой керамики) для
обеспечения необходимой электрической изоляции между анод-
ным и катодным контактами. Прижимное усилие тиристора изме-
ряется на собранном приборе и рассчитывается на минимальное
тепловое и электрическое сопротивление без каких-либо меха-
нических повреждений структуры или деталей сборки: типичное
прижимное усилие равно 15 МН/мм2.
Корпус, приведенный на рис. 6.7, устроен таким образом,
что поверхности обоих электродов могут прижиматься к поверх-
ностям охладителя и за счет этого достигается минимальное
тепловое сопротивление как между анодом, так и между катодом
и охладителем благодаря двухстороннему охлаждению. Корпус
является полностью герметичным и имеет большие расстояния
между электродами, что позволяет применять его для высоко-
вольтных тиристоров. Корпуса этого типа используются в тири-
сторах на напряжение свыше 1200 В и средний ток более 200 А.
6.3. Методы охлаждения тиристоров
Существуйэт различные системы охлаждения для отвода теп-
ловой энергии от тиристора и поддержания температуры пере-
хода прибора на уровне 125° С. Они подразделяются на три
вида: с воздушным охлаждением, жидкостным охлаждением и
охлаждением с переменой фаз.
6.3.1. Воздушное охлаждение
В системах с воздушным охлаждением (рис. 6.8) тиристор'
помещается на охладитель, который конструируется таким обра-
зом, чтобы отводить тепло к поверхности большой площади,
охлаждаемой воздухом. Воздушные охладители обычно содержат
плоские алюминиевые ребра или ребра с переменной шириной
[Finney, 1980]. Точный расчет конструкции охладителя зависит
от значения отводимой мощности, размеров тиристора, потока
воздуха, обдувающего поверхность охладителя, а также его объ-
ема и массы.
Следует обратить внимание на то, что увеличение размера
охладителя не повышает беспредельно его способность отводить
тепло. Это происходит потому, что воздух охлаждает ребра,
отстоящие дальше от тиристора, который рассеивает меньше
тепла благодаря понижению их температуры посредством тепло-
вого сопротивления материала самого охладителя.
Эффективность воздушного охлаждения может быть улучше-
на за счет увеличения воздушного потока, обдувающего поверх-
ность охладителя. Зависимость теплового сопротивления от вре-
мени при различной эффективности воздушного охлаждения по-
188
Рис. 6.8. Система с воздушным охлаждением
казана на рис. 6.9. Самое большое тепловое сопротивление (ох-
ладитель в воздухе) имеет место, когда воздушный поток обус-
ловлен действием естественной конвекции. При принудительной
конвекции сопротивление уменьшается. Это происходит в том
случае, если воздух нагнетается вентилятором или воздушная
волна образуется в результате прохождения транспортного
средства, например, поезда.
Охладитель обладает также эффектом переходного теплового
сопротивления при установлении теплового сопротивления тири-
стор — охладитель.
Прежде чем тепловое сопротивление достигнет своего макси-
мального значения, проходит несколько минут. К сожалению,
системе воздушного охлаждения присущи некоторые недостатки.
В случае принудительной конвекции вентилятор может созда-
вать посторонние шумы или вообще выйти из строя. Воздух
Рис. 6.9. Кривые теплового сопротив-
ления воздушного охладителя:
/ — естественная конвекция; 2 — принуди-
тельная конвекция (увеличение скорости
воздуха)
189
должен фильтроваться, если охладитель находится под высоким
напряжением. В этом случае необходимо также предохранять
межреберные промежутки, и в особенности ребра от осаждения
пыли. Существует ограничение по тепловой способности воздуш-
ного охладителя, обусловленное вышеупомянутым перепадом
температуры на ребрах, удаленных на большое расстояние от
тиристора. Поэтому не происходит увеличения тепловой способ-
ности при дальнейшем увеличении площади охладителя.
6.3.2. Жидкостное охлаждение
Системы жидкостного охлаждения более эффективны по срав-
нению с системами воздушного охлаждения благодаря более низ-
кому тепловому сопротивлению и более высокой эффективности
теплоотвода
На рис. 6.10 показана рециркуляционная, а на рис. 6.11
погружная система с масляным охлаждением. Однако в каче-
стве охлаждающей среды могут быть использованы и другие
жидкости. В обоих случаях тиристор или несколько тиристоров
монтируются на охладительных блоках, которые передают выде-
лившееся тецло жидкости.
Вода используется для охлаждения потому, что она быстро и
эффективно отводит тепло. Но вода может замерзнуть и, кроме
того, не исключается возникновение электрической коррозии.
Эти проблемы могут быть преодолены путем использования анти-
фриза, антикоррозийных присадок или очень чистой воды
(рис. 6.10). Чистота воды поддерживается в ионно-обменной
камере.
Масляное охлаждение является более подходящим для мно-
гих применений, а конструкция охладителя выполняется в виде
закрытой петлеобразной рециркуляцирнной или погружной систе-
мы (рис. 6.11). Использование масла ограничивается из-за низ-
кой эффективности теплоотвода по сравнению с водой, обуслов-
ленной его высокой вязкостью и, следовательно, меньшей ско-
ростью протекания, а также способностью легко воспламеняться.
К гпЕплоо5меннику
Рис. 6.10. Система водяного охлаждения тиристора:
1 — рециркулируемый водяной контур; 2 — блок охлаждения; 3 — насос; 4 — ионно-
обменная камера
19()
Рис. 6.11. Масляная система
охлаждения:
/ — тиристорная сборка; 2 —
охлаждающие ребра; 3 — мас-
ляный насос; 4 — охлаждающее
масло
Для всех систем жидкостного охлаждения характерны три
недостатка: во-первых, необходимо соблюдать особые меры пре-
досторожности, чтобы предотвратить загрязнение жидкости; во-
вторых, системы должны быть оснащены насосом, который может
выходить из строя; в-третьих, следует иметь изоляцию, непро-
ницаемую для жидкости, в местах соединения трубопроводов,
что также может снижать надежность.
6.3.3. Охлаждение, обусловленное фазовыми переходами
В системе с жидкостным охлаждением жидкость используется
для отвода тепловой энергии от тиристора к теплообменнику.
Теплообменная система может быть с воздушным или жидкост-
ным охлаждением. Однако когда жидкость течет от тиристора,
ее температура снижается раньше, чем она достигает теплооб-
менника. Поэтому такая система менее эффективна по сравне-
нию с идеальным случаем, когда теплопередающая среда дости-
гает теплообменника при той же самой температуре, при кото-
рой она покинула тиристор.
Чтобы «приблизиться» к такому идеальному случаю, применя-
ется способ охлаждения за счет фазовых переходов. В охла-
дителе с фазовыми переходами тепло от тиристора способствует
испарению жидкости. Затем пар используется для передачи теп-
ла к теплообменнику, где он и конденсируется. Охлаждение
за счет фазового перехода применяется в тепловых трубах, тер-
мосифонах и погружных системах с фазовыми переходами.
Тепловая труба показана на рис. 6.12. Она представляет со-
бой запаянную трубку с большим объемом насыщенного пара и
небольшим количеством жидкости. На внутренней стенке трубки
расположены фитиль из пористого или фибрового материала,
который может насыщаться жидкостью. В процессе работы тепло
от тиристора поступает в тепловую трубу, вызывая испарение
жидкости, увеличивая ее температуру и давление пара в объеме.
191
Рис. 6.12. Тепловая труба,
используемая в системе воз-
душного охлаждения:
1 — тиристор; 2 — возвращение
жидкости через фитиль; 3 —
охлаждающие ребра; 4 — кон
денсация пара; 5 — поток пара
в паровом пространстве; 6 —
испаряемая жидкость
Однако, так как часть тепловой трубы имеет ребра для охлажде
ния, пар конденсируется на холодных участках стенки трубы.
Охлажденная жидкость течет вдоль фитиля навстречу жид-
кости, которая затем испаряется тиристором. Поскольку пар в
объеме имеет одинаковое давление, его температура также одно-
родна. Таким образом, пар переносит тепло от тиристора к
охлаждающим ребрам по закону изотермы. Длина трубы не
имеет существенного значения, так как тепло может переда-
ваться очень большому числу ребер, которые имеют приблизи-
тельно одинаковую температуру.
Тепловую трубу желательно конструировать из меди, а в ка-
честве жидкости использовать воду. На рис. 6 12 труба располо-
жена горизонтально. Поскольку жидкость возвращается к испа-
рителю в основном за счет капиллярных сил, труба будет функ-
ционировать при любой ориентации. Однако ее функционирова-
ние более эффективно, если силы гравитации будут способство
вать, а не затруднять обратный поток жидкости.
Если тепловая труба выполняется без фитиля или применяет-
ся любая другая жидкость вместо воды, не обладающая доста-
точно большими капиллярными силами, то работоспособность
устройства сохраняется лишь при вертикальном положении тру-
бы. В этом случае используется гравитация для возвращения
жидкости от конденсатора к испарителю. Строго говоря, тепло-
вая труба, в которой применяется гравитационное возвращение,
является термосифоном.
В термосифоне «тепловая труба» [Dethlefsen, Egli, Feldman,
1982] используется диэлектрическая жидкость (фреон и SFe).
Его конструкция состоит из медной трубы и алюминиевой ке-
рамики. Диэлектрическая жидкость применяется для того, чтобы
изолировать секцию, в которой происходит испарение от конден-
сатора. Для изоляции самой тепловой трубы в качестве изоля-
тора используется керамика.
Специально изолированная тепловая труба разработана пре-
имущественно для высоковольтных устройств большой мощности
с воздушным охлаждением. Поскольку фреон имеет низкое по-
верхностное натяжение, его не удается достаточно хорошо пере-
192
1
Рис. 6.13. Погружной охладитель:
1 — охлаждающие ребра; 2 — пар; 3 — теплообменник; 4 — жидкость; 5 — тиристорная
сборка
давать через фитиль, поэтому необходимо использовать грави-
тацию. В связи с этим указанные приборы могут работать только
в положении, близком к вертикальному. Отдельные виды охлаж-
дения имеют определенное преимущество, так как конечный теп-
лообменник электрически изолирован от тиристора и поэтому
жидкость отводит и передает тепло от прибора по закону изо-
термы, обладая при этом очень высокой теплопроводностью.
Последний тип системы охлаждения за счет фазового превра-
щения показан на рис. 6.13. Здесь тиристор или сборка тиристо-
ров полностью погружены в диэлектрическую жидкость фреон
R11 или R113. Тиристоры смонтированы на охлаждающих бло-
ках, которые передают тепло жидкости. В результате кипения
последняя отводит тепло через пар и жидкость за счет конвекции
к стенкам наполненного резервуара. Стенки резервуара снабже-
ны ребрами для охлаждения, которые передают тепловую энер-
гию окружающему воздуху.
Такая погружная система охлаждения за счет фазового пре-
вращения в принципе аналогична тепловой трубе или сифону, но
только имеет источник тепла внутри пространства, заполненного
жидкостью. О таких охлаждающих агрегатах для прерывателей
сообщается в [Yamada, Itahana, Okada, 1980] и [Soffer, 1981],
где отмечается их преимущество в эффективности теплоотвода
по сравнению с другими способами охлаждения (за исключе-
нием водяного охлаждения).
Рассматриваемая система инерционна, поэтому допускаются
ее кратковременные перегрузки. Она также значительно компакт-
нее эквивалентной системы воздушного охлаждения за счет кон-
193
векции, обладает хорошей электрической изоляцией и удобна в
эксплуатации.
При применении жидкого фреона необходимо соблюдать осо-
бую осторожность (хотя этот газ является нетоксичным, он
вызывает удушье, а при высокой температуре разлагается с об-
разованием побочных продуктов). В контейнере должны созда-
ваться как вакуум, так и повышенное давление. Для фреона
характерно пониженное давление при комнатной температуре,
при рабочей температуре оно составляет десятые доли мега-
паскаля.
Большой интерес представляют диэлектрические жидкости, в
частности широко применяемые типы фреона R11 и R113, с
достаточно высокой диэлектрической проницаемостью, для того
чтобы позволить непосредственно погружать в жидкость тири-
сторные структуры без опасности пробоя тиристора при блоки-
рующем напряжении. Этим руководствуются при погружном
охлаждении тиристоров в R11 и R113 без заключения их в
нормальный герметичный корпус.
С учетом вышеизложенного незащищенный выпрямительный
элемент помещается в охлаждающую жидкость, которая не-
посредственнб контактирует с тиристором, обеспечивая эффек-
тивный теплоотвод. При этом объем, занимаемый тиристором,
и его масса уменьшаются [Soffer, 1981].
Однако на практике трудно получить высокий уровень очи-
стки жидкости. Поэтому тиристоры упаковывают в кожух, кото-
рый специально конструируется для применения в системах фрео-
на. Следовательно, нет необходимости делать эти корпуса с
такой же степенью герметичности, как конвекционные, подго-
нять по размерам и удалять с них заусенцы. Специальные кор-
пуса имеют низкую стоимость и более совершенное тепловое
сопротивление по сравнению с корпусами, предназначенными для
конвекционного охлаждения.
194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К ГЛ. 2
ЗАКРЫТОЕ СОСТОЯНИЕ
Adler М. S., Temple V. А. К. A general method for predicting the avalanche
voltage of negatively bevelled devices // IEEE Trans. Electron. Devices, 1976.
Vol. ED 23. P. 956 960
Bakowski M., Lundstrom К. I. Depletion layer characteristics at the surface
of bevelled high voltage on junctions // IEEE Trans. Electron. Devices. 1973.
Vol ED 20. P. 550- 564.
Basavanagoud D., Bhat K. N. Effect of lateral curvature // IEEE Electron.
Device Lett 1985. Vol. EDL-6, № 6. P. 277.
Cornu J. Field distribution near the surface of bevelled P—N Junctions in
high voltage devices // IEEE. Trans. Electron. Devices 1973. Vol. ED -2О."РкЙ47—
352 i.i.i.
Cornu J. Double positive bevelling: a better edge contour for high voltage
de\ ices // IEEE Trans. Electron. Devices. 1974. Vol. ED—21. P. 181 184.
Davies R. L., Gentry F. E. Control of electric field a1 the surface of P— N
junctions//IEEE Trans. Electron. Devices. 1964. Vol. ED- II. P. 313—323.
Ghandi S. К Semiconductor Power Devices, Wiley - Inlerscience. New York,
1977.
Herlet A. The maximum blocking capability of silicon thryistors//Solid State
Electron. 1965. Vol. 8. P 655 671.
Kao Y. C., Wolley E. D. High voltage planar p- n junctions II Proc. IEEE.
1967. Vol 55. P. 1409 1413.
Moll J. L„ Su J. L., Wang A. С. M. 1970. Multiplication in collector
liinctions of silicon npn and pnp transistors // IEEE Trans. Electron. Devices.
1970. Vol. ED 17 P. 420 423.
Sakurada S., Ikeda Y. Recent trends in the gate turn off thyristor // Hitachi
Rev. 1980 Vol. 30 P 197 - 200.
Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, New York. 1981.
Temple V. A. K. Practical aspects ol the depletion etch method in high
voltage devices // IEEE Trans. Electron. Devices. 1983a. Vol ED 27. P. 977 982.
Temple V. A. K. Increased avalanche breakdown voltages and controlled
surface electric fields using a junction termination extension (JTE) technique // IEEE
Trans Electron. Devices 1983b. Vol. ED 30. P. 954 957.
Temple V. A. K., Adler M. S. The theory and application of a simple
etch contour for near ideal breakdown in plane and planar p n junctions // IEEE
Trans Electron Devices. 1976 Vol. ED 23. P. 950- 955.
ВКЛЮЧЕНИЕ
Adler M. S. Details of the plasma spreading process in thyristors // IEEE
trans. Electron Devices. 1980 Vol. ED 27. P. 475 - 502
Adler M. S., Temple V. A. K. The dynamics of the thyristor turn on process//
IEEE Trans. Electron Devices. 1980. Vol. ED- 27. P. 483 494.
Assalit H., Kim J., Celie B. Static plasma spreading in' thyristor devices //
Proc Industry Appl. Soc. IEEE. 1983. P. 783 787.
Bergman G. D. The gate triggered turn on process in thyristors//Solid
State Electron Vol. 8. P. 757 -765.
Blicher A. Thyristor Physics. Springer Verlag. Berlin. 1978. P. 47 61.
195
Cornu J., Jaecklin A. A. Processes at turn on thryistors // Solid State Electron.
1975. Vol. 18. P. 683—689.
Dodson W. H., Longini R. L. Probed determination of turn on spread large
area'thyristors//IEEE. Trans. Electron. Devices. 1966. Vol. ED-13. P. 476—482.
Ghandl S. K. Semiconductor Power Devices. Wiley—Interscience, New York.
1977. P. 210—217.
Ikeda S., Araki T. The di/dt capability of thyristors // Proc. IEEE. Vol. 55.
P. 1301 — 1305.
Jaecklin A. A. The first dynamic phase at turn on of a thyristor // IEEE
Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 940—944.
Jaecklin A. A. Two dimensional model of a thyristor turn on channel //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1982. Vol. ED-29. P. 1529—1535.
Matsuzama T. Spreading velocity of the on state on high speed thyristors //
Electrical Engineering in Japan. 1973. Vol. 93. P. 136—140.
Ruhl H. J. Spreading velocity of the active area boundary in a thyristor //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. P. 672—680.
Suzuki M., Sawaki N., Iwata K., Nishinaga T. Current distributions at the
lateral spreading’of electron hole plasma in a thyristor // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1982. Vol. ED—29. P. 1222—1225.
Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley—Interscience, New York,
1981.
Yamasaki H. Experimental observation of the lateral plasma propagation in a
thyristor // IEEE Trans. Electron. Devices. 1975. Vol. ED—22. P. 65—68.
ОТКРЫТОЕ СОСТОЯНИЕ
Adler M. S. Accurate calculations of the forward drop and power dissipation
in thyristors // IEEE Trans. Electron. Devices. 1978. Vol. ED-25. P. 16—22.
Chang M. F., Wolley E. E., Bevacqua S. F. Thyristors and diodes as p—i—n
structures at high currents // Proc. Industry Appl. Soc. 1979. P. 1068—1070.
Choo S. C. Effect of carrier lifetime on the forward characteristics of high
power devices // IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. P. 647—652.
Cornu J., Lietz M. Numerical investigation of the thyristor forward characte-
ristic//IEEE Trans. Electron. Devices. Vol. ED-19. P. 975—981.
Davies R. L., Petruzella J. P—N—P—N charge dynamics // Proc. IEEE.
1967. Vol. 55. P. 1318—1330.
Ghandi S. K. Semiconductor Power Devices> Wiley—Interscience, New York,
1977.
Hall R. N. Power rectifiers and transistors // Proc. IRE. Vol. 40. P. 1512—
1518.
Herlet A. The forward characteristic of silicon power rectifiers at high current
densities//Solid—State Electron. 1968. Vol. 11. P. 717—742.
Kokosa R. A. The potential and carrier distributions of a PNPN device in
the on—state//Proc. IEEE.'1967. Vol. 55. P. 1389—1400.
Kurata M. One dimensional calculation of thyristor forward voltages and
holding currents Solid State Electron. 1976. Vol. 19. P. 527—535.
Nilsson N. G. The influence of Auger recombination on the forward cha-
racteristics of semiconductor power rectifiers at high current densities // Solid
State Electron. 1973. Vol. 16. P. 681—688.
Otsuka M. The forward characteristic of a thyristor // Proc. IEEE. 1967.
Vol. 55. P. 1400—1408.
Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices, Wiley—Interscience, New York,
1981.
ВЫКЛЮЧЕНИЕ
Assalit H. B. Thyristor turn off time trade offs // Proc. Industry Appl. Soc.
1981. P. 707—713.
Baker A. N., Goldey J. M., Ross I. M. Recovery time of pnpn diodes //
IRE Wescon convention Record. Vol. 3. P. 43—48.
Davies R. L., Petruzella J. PNPN charge dynamics // Proc. IEEE. 1967.
Vol. 55. P. 318- 330.
Fukui H., Naito M., Terasawa Y. One dimensional analysis of reverse reco-
very and dV/dt triggering characteristics for a thyristor // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1980. Vol. ED—27. P. 596—602.
Lietz M. Numerical model of the thyristor turn off // IEEE Int. Electron.
Devices Meeting, 1977. P. 307.
Sundresh T. S. Reverse transient in p—n—p—n triodes // IEEE Trans.
Electron. Devices. 1967. Vol. ED—14. P. 400—402.
Temple V. A. K., Holroyd F. W. Optimising carrier lifetime profiles for
improved trade off between turn off time and forward drop // IEEE Trans.
Electron. Devices. 1983. Vol. ED—30. P. 782—790.
Yang E. S. Turn off characteristics of p—n—p—n devices // Solid State
Electron. 1968. Vol. 10. P. 927—933.
к гл. 3
' .8 as8
Assalit H. B., Tobin W. H., Wu S. J. Effect of gate configuration on thyristor
plasma properties // IEEE IAS Record. 1978. P. 1012—1018.
Alferov Zh. I., Korol’kov V. I., Rakhimov N., Stepanova M. N. Investi-
gation of GaAs—AlGaAs heterostructure thyristors // Sov. Phys. Semicond. 1978.
Vol. 12, № 1. P. 42—46.
Bakowski M., Lundstrom I. Calculations of avalanche breakdown voltage
and depletion layer thickness in a p—n junction with a double error function
doping profile//Solid State Electron. 1973. Vol. 16. P. 611—616.
Baliga B. J., Sun E. Comparison of gold, platinum and electron irradiation
for controlling lifetime in power rectifiers // IEEE Trans. Electron. Devices. 1977.
Vol. ED—24. P. 685—688.
Bassett R. J., Fulop W., Hogarth C. A. Determination of the bulk carrier
lifetime in the low—doped region of a silicon power diode by the method of
ope'n’circuit voltage decay // Int. J. Electron. 1973. Vol. 35. P. 177—192.
Beadle "W. E., Tsai J. С. C., Plummer R. D. Quick Reference Guide Manual
for Silicon Integrated Circuit Technology, Wiley, New York.
Ben Hamouda M. J., Gerlach W. Determination of the carrier lifetime from
the open—circuit voltage decay of p—i—n rectifiers at hign injection levels //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1982. Vol. ED—29. P. 953—955.
Bosterling W., Sommer К. H. New inverter thyristors with improved switching
characteristics//Int. Powercon. Conference. 1980. Vol. 3B1 — I—3B1—12.
Crees D. E. Internal memo, GEC Research Centre, Wembley, 1975.
Danielson В. E. Initial' turn—on area of gate—controlled thyristors // Solid
State Electron. 1979. Vol. 22. P. 659—662.
Derdouri M., Lerturcq P., Munoz—Yague A. A comparative study of methods
of measuring carrier lifetime in p—i—n devices // IEEE Trans. Electron. Devices.
1980. Vol. ED- 27. P 2097—2101.
Gerlach W. Light activated power thyristors // Inst. Phys. Conference Series.
1977. Vol. 33. P. 1'1 ' 133.
. Ghandi S. K. Semiconductor Power Devices, Wiley-Interscience. New York,
1977.
Glockermer К. H., Fullmann M. On the turn on behaviour of thyristors
with field-initiated gate//Solid State Electron., 1976. Vol. 20. P. 476—477.
Hill M. J., Iseghem P. M., Zimmerman W. Preparation and application of
neutron transmutation doped silicon for power devise research//1ЁЕЕ Trans.
Electron. Devices. 1976. Vol. ED—23. P. 809—813.
Irvin J. C. Resistivity of bulk silicon and of diffused layers in silicon // Bell
Syst. Tech. J. 1962. Vol. 41. P. 387—410.
197
Kokosa R. A., Davies R. L. Avalanche breakdown of diffused silicon p-n jun-
ctions // IEEE Trans. Electron. Devices. 1966. Vol. ED-13. P. 874—881.
Lawrence H., Warner R. M., Jr. Diffused junction depletion layer calcula-
tions // Bell. Syst. Tech. J. 1960. Vol. 39. P. 389—403.
Munoz—Yague A., Leturcq P. Optimum design of thyristor gate emitter geo-
metry // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 917—924.
Platzoder K., Lock K. High voltage thyristors and diodes made of neutron-
irradiated silicon // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED—23. P. 805—808.
Raderecht P. S. A review of the shorted emitter principle as applied to p-n-p-n
silicon controlled rectifiers // Int. J. Electron. 1971. Vol. 31, № 6. P. 541—564
Shenai K., Lin H. C. Analytical solutions for avalanche breakdown voltages
of single-diffused gaussian junctions // Solid State Electron. 1983. Vol. 26. P 211 —
216.
Silard A., Marinescu V., Mantduteanu G. Two dimensional computer design
of dual-ring thyristors//Electronics Letters. 1975. Vol. II. P. 641—642.
Somos L, Piccone D. E. Behaviour of thyristors under transient condictions //
Proc. IEEE. 1967. Vol. 55. P. 1306—1311.
Storm H. F.^ St Clair J. G. An involute gate-emitter configuration for thy-
ristors // IEEE Trans. Electron. Devices. 1974. Vol. ED-21. P. 520—522.
Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices, Wiley-Interscience. New York,
1981.
Thurber W. R., Mattis R. L., Liu Y. M., Filliben J. J. The relationship between
resistivity and dopant density for phosphorus-and boron-doped silicon // National
Bureau of Standards, Washington DC, 1981.
Voss P. The turn on of thyristors with internal gate current amplifying //
IEEE IAS RecorJ. 1974. P. 467—476.
К ГЛ. 4
Addis G., Damsky B. L., Nakata R. Advanced HVDC valve // IEE Conference
on A. C. and D. C. Power Transmission, London, September 1985.
Adler M. S. Factors determining forward voltage drop in the field termi-
nated diode (FTD) // IEEE Trans. Electron. Devices. 1978. Vol. ED-25. P. 529—537.
Bacuvier P., Pezzani R., Salbreux J. C., Senes A. New developments in asym-
metrical power thyristors // Proc. Int. Power Conference, 1980.
Baliga B. J. The asymmetrical field-controlled thyristor // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1980. Vol. ED-27. P. 1262—1268.
Baliga B. J. Barrier-controlled current corlduction in field-controlled thyri-
stors //Solid State Electron. 1981a. Vol. 24. P. 617—620.
Baliga B. J. Temperature dependence of field controlled thyristor characteris-
tics // IEEE Trans. Electron. Devices. 1981b. Vol. ED-28. P. 257—264.
Baliga B. J. Electron irradiation of field-controlled thyristors // IEEE Trans.
Electron. Devices. 1982a. Vol. ED-29. P. 805—881.
Baliga B. J. Breakover phenomena in field-controlled thyristors // IEEE Trans.
Electron. Devices. 1982b. Vol. ED-29. P. 1579—1587.
Baliga B. J. The dV/dt capability of field-controlled thyristors // IEEE. Trans.
Electron. Devices. 1983a. Vol. ED-30. P. 612—616.
Baliga B. J. Fast-switching insulated gate transistors // IEEE Electron. Device
Lett. 1983b. Vol. EDL-4. P. 452—454.
Barandon R., Laurenceau P. Power bipolar gridistor // Electron Lett. 1976.
Vol. 12. P. 486—487.
Bergman G. D. Gate isolation and commutation in bi-directional thyristors //
Int. J. Electron. 1966. Vol. 21. P. 17—35.
Blicher A. Thyristor Physics, Springer Verlag, Berlin, 1978.
Blicher A. Field Effect and Bipolar Power Transistor Physics, Academic Press,
New York, 1981.
Brewster J. B., Schlegel E. S. Forward recovery in fast switching thyristors //
IEEE Conf Record of Industry Applications Society Mtg, 1974. P. 663—673.
198
Chu С. К., Johnson J. E., Brewster J. B. 1200 V and 5000 A peak reverse
blocking diode thyristor //Jap. J. Appl. Phys. 1976. Vol. 16. Suppl. 16—-1. P. 537—
540.
Chu С. K., Johnson J. E., Karstaedt W. H., Mod W. S., McCarthy D. 2500.
V 50 mm asymmetrical thyristor // IEEE Conf. Record of Industry Applications
Society Mtg. 1981. P. 745—749.
Coulthard N., Pezzani R. Understanding the gate assisted turn-off an inter-
digitated, ultra-fast, asymmetrical power thyristor (GATASCR)//Proc. Power Conf.
Int. 1981. P. 47—57.
De Bruyne P., Sittig R. Light sensitive structure for high voltage thyristors //
PESC 76 Record, 1976. P. 262—266.
De Bruyne P., Kuse D., Van Iseghem P. M., Sittig R. New voltage limiters,
breakover diodes and light activated devices for improved protection for power
thyristors // Proc. IEE Conf. Power Semiconductor Devices. London, September
1977. P. 18—21.
De Bruyne P., Jaecklin A. A. Why the reverse conducting thyristor can improve
the design and competitiveness of your circuits // IEEE Conf. Record Industry
Applications Society Mtg. 1979. P. 1109—1114.
Essom J. F. Bidirectional triode thyristor applied voltage rate effect following
conduction//Proc. IEEE. 1967. Vol. 55. P. 1312—1317. c
Fichot J. Y., Chang M., Adler M. High current high- voltage asymmetrical
SCRs // IEEE Elect. Comp. Conf. Record. 1979. P. 75—79.
Garno H., Funakawa S., Shimizu J. The present status and application of
power reverse conducting thyristors // Proc. IEEE/IAS Int. Semiconductor Power
Conv. Conf., 1977. P. 50—60.
Gentry F. E., Scace R. I., Flowers J. K. Bidirectional triode P-N-P-N switches //
Proc. IEEE. 1965. Vol. 53 P. 355—369.
Gerlach W. Light activated power thyristors // Inst. Phys. Conf. Ser. 1977. Vol.
32. P. 111 — 133.
Ghandi S. K. Semiconductor Power Devices, Wiley-Interscience. New York,
1977.
Hashimoto O., Sato Y. A high voltage high current light-activated thyristor
with a new light sensitive structure // PESC 81 Record, 1981. P. 226—231.
Ho E., Sen P. C. Effect of gate drive circuits on GTO thyristor characteri-
stics // IEEE Industry Appl. Society Mtg., 1984.
Houston D. E., Krishna S., Piccone D. E., Finke R. J., Sun Y. S. A field
terminated diode // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 905—911.
Huang E., Barnes J. P. GTO with monolithic anti-parallel diode // IEE Collo-
quium on GTO Devices and Their Applications // IEE Digest, 1985/86. 2/1-2/3.
lida T., Iwamoto H., Oka H., Funakawa S. New DC chopper circuits, using
fast-switching reverse conducting thyristors for low-voltage DC motor control //
IEEE Trans. Ind. Appl. 1980. Vol. IA-16. P. 111 — 118.
Ishibashi S., Kubo T., Kawamura T., Suzuki T., Suekoa T. High power buried
gate turn off thyristor with amplifying gate structure // Proc. 1PEC Tokyo. 1983.
P. 33—41.
Kao Y. C. The design of high voltage high-power silicon junction rectifiers //
IEEE Trans. Electron. Devices. 197,0. Vol. ED-17. P. 657—660.
Konishi N., Mori M., Naito M. A 6000 V 1500 A light activated thyristor//
IEDM Tech. Digest, 1980. P. 642—645.
Konishi N., Mori M., Tanaka T. High power light activated thyristors //Proc.
I PEC Tokyo. 1983. P. 559—570.
Leipold L., Baumgartner W., Leidenhauf W., Steng L. P. A FET-controlled
thyristor in SIPMOS technology//IEDM Tech. Digest, 1980. P. 79082.
Locher R. E. The advent of high current ASCRs // Proc. Power Conversion
International Conf. 1981. P. 196—207.
Matsuda H., Komiyama T., Usui Y., Takeuchi M. Characteristics for high
power GTOs // IEE Colloquium GTO Devices and Their Applications//IEE Digest,
1985/86, 2/1-2/3.
199
Matsuzawa T., Usunaga Y. Some electrical characteristics of a reverse conduc-
ting thyristor//IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. P. 816.
Mehta H., Temple V. A. K- Advanced light triggered thyristor // IEE Coni, on AC
and DC Power Transmission, London, September 1985.
Mitlehner H. Light activated auxiliary thyristor for high-voltage applications //
Siemens Forsh u Entwickl-Ber., 1985. Vol. 14. P. 50 —55.
Naito M., Nagano T., Fukui H., Terasawa Y. On dimensional analysis of turn
off phenomena for a gate turn off thyristor // IEE Trans. Electron. Devices. 1979.
Vol. ED-26. P. 226-231.
Nakagawa A., Ohashi H. A study on GTO turn off failure mechanism: a time
and temperature dependent 1— D model analysis // IEEE Trans. Electron. Devices.
1984. Vol. ED-31. P. 273- 279.
Neilson J. M. S., Duclos R. A. Avalanche diode structure // RCA Technical
Note. 1984. № 1343. P. 1—6.
Nishizawa J., Nakamura K. Characteristics of new thyristors // Jap. J. AppL
Phys. 1976. Vol. 16. SuppL 16—1. P. 541-544.
Nishizawa J* Ohtsubo Y. Effects of gate structure on static induction thyris-
tors//IEEE IEDM Tech. Digest, 1980. P. 658—661.
Nishizawa J., Tamamushi T., Nonaka K- A very high sensitivity and very
high speed light triggered and light quenched static induction thyristor // IEEE
IEDM Tech. Digest, 1984. P. 435--438.
Ohashi H., Nakagawa A. A study on GTO turn off failure mechanism // IEEE
IEDM Tech. Digest, 1981. P. 414--417.
Ohashi H., Ogura T., Yamaguchi Y. Directly light triggered 8 kV—1.2 kA
thyristor//IEEE* IEDM Tech. Didest, 1983. P. 210—213.
Ohashi H., Tsukakoshi T., Ogura T., Yamaguchi Y. Novel gate structure
for high voltage light triggered thyristor//Jap. J. AppL Phys. 1981. Vol. 21.
Suppl. 21 — 1.
Palm E., Van de Wiele F. Numerical simulation of the GTO thyristor // IEEE
IEDM Tech. Digest, 1984. P. 443—446.
' ' Przybysz J. X., Schlegel E. S. Thyristors with overvoltage self protection //
IEEE IEDM Tech. Digest, 1981. P. 410-413.
Schlegel E. S. Gate-assisted turn off thyristors // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1976. Vol, ED-23. P. 888—892.
Schroen W. H. Characteristics of a high-current, highvoltage Schockley diode //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. P. 694—705.
Shimizu J., Oka H., Funakawa S. High-'voltage high-power gate assisted
turn-off thyristor for high frequency use // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976.
Vol. ED-23. P. 883—887.
Silard A., Dascalescu N. Designing light activated thyristors for enchanced
optical sensitivity and high dV/dt capability // Rev. Rouin Sci Techn-Electrotechn
et Energ. 1982. Vol. 27. P. 91 — 106.
Silard A. A double interdigitated GTO switch // IEEE Trans. Electron. Devices.
1984. Vol. ED-31. P. 322—328.
Silber D., Winter W., Fullman M. Progress in light activated power thyris-
tors // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-28. P. 899—904.
Stoisiek M., Patalong H. Power devices with MOS-controlled emitter shorts //
Siemens Forsch-U Entwickl-Ber. 1985. Vol. 14. P. 45 -49.
Suzuki T., Ugazin T., Kekura M., Watanabe T., Sueoka T. Switching charac-
teristics of high power buried gate turn off thyristor // IEEE IEDM Teih. Digest,
1982. P. 492—495.
Tada A., Kawakami A., Miyazima T., Nakagawa T., Yamanaka K. Ohtaki K.
4kV, 1500. A light triggered thyristor//Jap. J. AppL Phys., 1980. Vol. 20. Suppl.
20—1. P.'99—104.
Tada A., Kawakami A., Nakagawa T., Iwamoto H. High voltage high power
reverse conducting thyristor for high frequency chopper use // Proc. IPEC Tokyo,
1983. P. 585—595.
Tada A., Nakagawa T., Iwamoto H. 1200 V, 400 amperes, 4ps gate-assisted
turn off thyristor for high-frequencv inverter use // IEEE Industry Appl. Society
Mtg., 1981. P. 731—734.
Tada A., Nakagawa T., Ueda K- Improvement in high frequency characteris-
tics of thyristor with gate assisted turn off thyristor (GATT) // Elect. Eng. in Ja-
pan 1982. Vol. 102. P. 122 - 130.
Taylor P. D. A comparison of GTO thyristor device designs // IEE Con-
ference Record on Power Electronics and Variable Speed Drives, London,
May 1984
Taylor P. D., Findlay W. J., Denyer R. T. High voltage high current GTO
thyristors // Proc. IEE, Part A. December 1985.
Temple V. A. K- Controlled thyristor turn on for high di/dt capability //
IEEE 1EDM Tech. Digest, 1981. P. 406 409.
Temple V. A. K. Thyristor devices for electric power systems // IEEE Trans,
on Power Apparatus and Systems. 1982. Vol. PAS 101. P. 2286 -2290.
Temple V. A. K. Controlled turn on thyristor // IEEE Trans. Electron. Devices
1983. Vol. ED-30. P. 816 824.
Temple V. A. K. MOS controlled thvristors (MCTs) // IEEE IEDM Tech.
Digest, 1984. P 282 285.
Van Iseghem P. M. P—i—n epitaxial structures for high power devices //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 823—825.
Wolley E. D. Gate turn off in p—n—p— n devices // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1966. Vol. ED-13. P. 590—597. ’ ' . .
Woodworth A. The BTV60, first in a new generation of GTOs // Electronic
Comp Appl. 1984. Vol. 6. P. 93- 95.
Yahata A., Beppu T., Ohashi H. Optimization of light triggering system for
directly light triggered high voltage thyristor//Proc. 1PEC Tokyo, 1983.
P. 571’--577.
Yatsuo T., Nagano T.. Fukui H., Okamura M„ Kurata S. 1984. Ultra high
voltage high current gate turn off thyristors//IEEE Trans. Electron. Devices.
1981 Vol. ED-31. P. 1681 — 1686.
К ГЛ. 5
Alm A., Fiedler G., Mikes M. Experience with neutron transmutation doped
silicon in the production of high power thyristors // Neutron Transmutation Doping
of Semiconductor Materials /Ed. R. D. Larrabee. Plenum, New York, 1984.
Assour J. M., Bender J. R. Glass-passivated fast switching SCRs // Proc.
IEEE Industry Applications Society Meeting, 1977. P. 61—66.
Baliga B. J. Effect of oxidations on the breakdown characteristics of alu-
minium diffused junctions//Solid State Electron. 1977a. Vol. 20. P. 555—558.
Baliga B. J. Technological constraints upon the properties of deep levels
used lor lifetime control in the fabrication of power rectifiers and thyristors //
Solid Stale Electron.. 1977b. Vol. 20. P. 1029 1032.
Baliga B. J., Krishna S. Optimisation of recombination levels and their cap-
ture cross sections in power rectifiers and thyristors // Solid State Electron. 1977.
Vol. 20. P. 225 232.
Baliga B. J„ Sun E. Comparison of gold, platinum and electron irradiation
for controlling lifetime in power rectifiers // IEEE Trans. Electron. Devices. 1977.
Vol. ED 24. P 685 688.
Bansal I. K- Control of surface contamination on silicon wafers in the semi-
conductor industry//J. Environ. Sci., July / August 1983. P. 21 -23.
Beadle W. E., Tsai J. С. C., Plummer R. D. Quick Reference Manual for
Silicon Integrated Circuit Technology, Wiley, New York, 1985.
Burkman D. Optimising the cleaning procedure for silicon wafers prior
to high temperature operations // Semiconductor International, July 1981.
P. 103-116.
Carlson R. 0., Sun Y. S„ Assalit H. B. Lifetime control in silicon power
devices by electron or gamma irradiation // IEEE Trans. Electron. Devices.
201
1977. Vol. ED-24. P. 1103—1108. Chang. M. Open tube diffusion//J. Electro-
chem. Soc., 1981. Vol. 128. P. 1987—1991.
Chu С. K-, Johnson J. E., Karstaedt W. H., Modi W. S. 2500V 50 mm asymme-
trical thyristor // IEEE Industry Applications Society Meeting. 1981. P. 745—749.
Cochlaser R. A. Microelectronics: Processing and Device Design, Wiley, New
York, 1980.
Crees D. E., Taylor P. D. Process induced recombination centres in neutron
transmutation doped silicon // Neutron Transmutation Doping of Semiconductor
Materials/Ed. R. D. Larrabee, Plenum Press, New York.
Derdouri M., Leturcq P., Munoz-Yague A. A comparative study
of methods of measuring carrier lifetime in p-i-n devices // IEEE Trans. Electron.
Devices. 1980. Vol. ED-27. P. 2097—2101.
Dudeck I., Kasslng R. Gold as an optimal recombination centre for power
rectifiers and thyristors // Solid State Electron., 1977. Vol. 20. P. 1033—1036.
Evwaraye A. O., Baliga B. J. The dominant recombination centres in electron-
irradiated semiconductor devices//J. Electrochem. Soc., 1977. Vol. 124. P. 913 -
916.
Flowers D. L., Hughes H. G. Characterisation of fused glass passivation
with selected diode structures //J. Electrochem. Soc. 1982. Vol. 129. P. 156—160.
Ghandl S. K- The Theory and Practice of Microelectronics. Wiley, New York,
Glascock H. H., Webster H. F. Structured copper, a pliable high conductance
material for bonding to silicon power devices // Proc. 33rd Electronic Component
Conference. IEEE. 1983. P. 328—333.
Guldberg J. (Ed). Proceedings of Third International Conference on Neutron
Transmutation Dqping of Semiconductor Materials, Plenum, New York, 1981.
Hattori T. Chlorine oxidation and annealing in the fabrication of high perfor-
mance LSI devices //Solid State Technology. 1982. P. 83—86.
Hayashi H., Mamine T., Matsushita T. Deep levels introduced by iron implan-
tation in n-type silicon and its application to switching devices // Jap. J. Appl.
Phys. 1978. Vol. 18, SuppL 18—1. P. 269—275.
Hayashi H., Mamine T., Matsushita T. A high-power gate controlled switch
(GCS) using a new lifetime control method // IEEE Trans. Electron. Devices.
1981. Vol. ED-28. P. 246—251.
Heynes M. S. R., Wilkerson J. T. Phosphorus diffusion in silicon
using POCI //Electrochem. Tech. 1967. Vol. 5. P. 464—467.
Hoenig S. A., Daniel S. Improved contamination control in semiconductor
manufacturing facilities//Solid State Technology. March 1984. P. 119—123.
Janssens E., Declerck G. J. The use of 1-1-1 trichloroethane as an optimised
additive to improve the silicon thermal oxidation technology//J. Electrochem.
Soc. 1978. Vol. 125. P. 1696—1703.
Janus H. M., Malmros O. Application of thermal neutron irradiation for
large scale production of homogeneous phosphorous doping of floatzone silicon //
IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 797—798.
Kao Y. C, On the diffusion of aluminium into silicon//Electrochem. Tech.
1967. Vol. 5. P. 90—94.
Kern W., Puotinen D. A. Cleaning solutions based on hydrogen peroxide
for use in silicon semiconductor technology // RCA Review. 1970. Vol. 31. P. 187—
206.
Kolbesen В. O., Muhlbauer A. Carbon in silicon: properties and impact on
devices // Solid State Electron. 1982. Vol. 25. P. 759— 775.
Kuniya K., Arakawa H., Капа T. Development of copper-carbon fibre com-
posite for electrodes of power semiconductor device // IEEE 33rd Electronic Com-
ponent Conference. 1983. P. 264—270.
Lang D. A. Deep Level transient spectroscopy: a new method
to characterise traps in semiconductor // J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45. P. 3023—3032.
Lang G. A., Fehder B. J., Williams W. D. Thermal fatigue in silicon power
transistors//IEEE Trans. Electron. Devices. 1970. Vol. ED-17. P. 787—793.
202
Larrabee R. D. (Ed.). Neutron Transmutation Doping of Semiconductor
Materials, Plenum, New York, 1984.
Matsushita T„ Aoki T., Ohtsu T. Highly reliable high-voltage transistors
by use of S1POS process // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 826—
829.
Meek R. L., Seidel T. E., Cullis A. G. Diffusion gettering of Au and Cu in sili-
con // J. Electrochem. Soc. 1975. Vol. 122. P. 786- - 796.
Meese J. (Ed.). Proceedings of the Second International Conference on Neutron
Transmutation Doping in Semiconductors, 1978, Plenum, New York.
Miller M. D. Differences between platinum and gold doped silicon power
devices // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 1279—1283.
Miller M. D., Schade H., Nuese C. J. Use of platinum for lifetime
control in power devices // IEEE IEDM Tech. Digest, 1975. P. 180—183.
Mimura A., Oohayashi M., Furakami S., Momma N. High-voltage planar
structure using SiOs-SIPOS-SlO? film // IEEE Electron. Device Lett., 1985.
Vol. EDL-6. P. 189-191.
Misawa Y., Hachiko H., Hara S., Ogawa T., Yagi H. Surface charges in a zinc-
boron silicate glass/silicon system //J. Electrochem. Soc. 1981. Vol. 128. P. 614—616.
Nakamura M., Kato T., Oi N. A study of gettering effect of metallic impurities
in silicon //Jap. J. AppL Phys. 1968. Vol. 7. P. 512—519.
Paxman D. H.. Whight K- R. Observation of lifetime controlling recombination
centres in silicon power devices // Solid State Electron., 1980. V.-l. 23. P. 129—132.
Platzoder K., Loch K. High-voltage thyristors and diodes made of neutron
irradiated silicon // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 805—808.
Prough S. D. Knobloch J. Solderless construction of large diameter silicon
power devices// IEEE Industry AppL Soc. Meeting, 1§77. P. 817—821.
Rai-Choudhury P., Selim F. A., Takei W. J. Diffusion and incorporation of
aluminium in silicon // J. Electrochem. Soc. 1977. Vol. 124. P. 762—766.
Ravi К. V. Imperfections and Impurities in Semiconductor Silicon, Wiley,
New York, 1981.
Rosnowski W. Aluminium diffusion into silicon in an open tube high vacuum
systems//J. Electrochem. Soc. 1978. Vol. 125. P. 957— 962.
Roy K- Silicon epitaxy for power devices. Semiconductor Silicon 1973/Eds
H. R. Huff and R. R. Burgess. Electrochemical Society Inc., Princeton.
Sawko D. C., Bartko J. Production of fast switching power thyristors by proton
irradiation//IEEE Trans. NucL Sci. 1983. Vol. NS-30. P. 1756—1759.
Schmidt P. F. Contamination freb high temperature treatment of silicon or other
materials//J. Electrochem. Soc. 1983. Vol. 130. P. 196—199.
Selim F. A., Chu С. K., Johnson J. E. Annealing effects for semiconductor
power devices // IEEE Electron Device Lett. 1983. Vol. EDL-4. P. 218—220.
Siber D., Maeder H. The effect of gold concentration gradients on thyristor
switching properties // IEEE Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 366—368.
Smith B. J. Ion implantation range data for silicon and germanium device
technologies. Adam Hilger Ltd., Bristol, England.
Sun Y. E. Lifetime control in semiconductor devices by electron
irradiation // IEE Industry AppL Soc. Meeting. 1977. P. 648—658.
Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, New York, 1981. P. 245—311.
Tada A., Nakagawa T., Hagino H. Improvement in trade off between turn
off time and other electrical characteristics of fast switching thyristors//Jap.
J. AppL Phys. 1982. Vol. 21. P. 617 - 623.
Temple V. A. K., Holnoy F. W. Optimising carrier lifetime profile for improved
trade off between turn off time and forward drop // IEEE Trans. Electron. Devices.
1983. Vol. ED-30. P. 782- 790.
Van Iseghem P. M. P-i-n epitaxial structures for high power devices // IEEE
Trans. Electron. Devices. 1976. Vol. ED-23. P. 823— 825.
203
К гл. 6
Blicher A. Thyristor Physics. Springer-Verlag, New York. 1976. P. 247.
Dethlefsen R., Egli A., Feldman К- T. Feasibility of an insulating
heat pipe for high voltage applications // IEEE Trans. Power Appl. Sys., 1982.
Vol. PAS-101. P. 3001—3008.
Finney D. The Power Thyristor and Its Applications. McGraw-Hill, 1980. P. 168—
180.
Jaumot F. E. Thermoelectric effects // Proc. IRE, March 1958. P. 539—554.
Neidig A. Modules with solder contacts for high power applications // IEEE
Conf. Rec. IAS Ann. Meeting, 1984. P. 723—728.
Softer J. Freon-cooled choppers for trolleybus applications // Proc. Motorcon.
1981. Conf. Chicago, 1981. P. 602—618.
Yamada Y., Itahana H., Okada S. Evaporation cooling system for chopper
control // Hitachi Review. 1980. Vol. 29. P. 25—30.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ........................................................... 3
Список обозначений .................................................... 5
Глава I. Основные сведения о тиристоре................................ 10
1.1. Введение .................................................... 10
1.2. Характеристики тиристора .................................... 10
1.2.1 Характеристики по напряжению............................ 11
1.2.2. Характеристики по току................................. 12
1.2.3. Включение и выключение................................. 12
1.2.4. Тепловые характеристики ............................... 14
1.3. Конструкция тиристора........................................ 14
1.4. Типы тиристоров и их применение.............................. 17
1.4.1. Применение............................................. 17
1.4.2. Типы тиристоров........................................ 18
1.5. Выбор тиристора ............................................. 20
1.5.1. Параметры по напряжению............................... 20
1.5.2. Параметры по току.................................... 21
Глава 2. Принцип действия тиристора................................. 23
2.1. Введение ................................................... 23
2.2. Тиристор в закрытом состоянии............................... 23
2.2.1. Обратное закрытое состояние........................... 23
2.2.2. Прямое закрытое состояние............................ 26
2.2.3. Шунтирование катодного эмиттера........S............... 29
2.2.4. Поверхностные эффекты.................................. 32
2.2.5. Механизмы повреждения.................................. 39
2.3. Характеристики включения .................................... 40
2.3.1. Время задержки......................................... 41
2.3.2. Этап нарастания тока................................... 42
2.3.3. Распространение плазмы................................. 44
2.3.4. di/dt-стойкостъ ........................................ М
2.4. Открытое состояние........................................... 48
2.4.1. р — I — п-диод ........................................ 49
2.4.2. Модели тиристора в открытом состоянии.................. 52
2.5. Выключение................................................... 57
Глава 3. Проектирование тиристоров................................. 61
3.1. Выбор полупроводникового материала .......................... 61
3.2. Время жизни неосновных носителей заряда...................... 64
3.3. Конструирование структуры ................................... 66
3.3.1. p-база (Р2) ......................................... 66
205
3.3.2. м-база (Л7) ........................................... 72
3.3.3. p-(Pl) и п-эмиттеры (W2) ............................... 74
3.4. Эмиттерные шунты .............................................. 75
3.4.1. Распределенные катодные эмиттерные шунты................ 76
3.4.2. Периферийное шунтирование катодного эмиттера............ 80
3.4.3. Распределенные анодные шунты............................ 80
3.5. Конструирование управляющего электрода......................... 81
3.5.1. Линейный управляющий электрод........................... 82
3.5.2. Кольцевой управляющий электрод.......................... 83
3.5.3. Управляющий электрод с электрическим полем в эмиттере. 87
3.5.4. Инжектирующий управляющий электрод...................... 88
3.5.5. Распределенный или разветвленный управляющий электрод .. 88
3.5.6. Регенеративный управляющий электрод...................... 91 ।
Глава 4. Специальные типы тиристоров................................... 93
4.1. Тиристоры с комбинированным выключением (ТКВ) ................. 94
4.2. Тиристор с обратной проводимостью (ТОП) ....................... 97
4.3. Запираемые тиристоры .......................................... 99
4.3.1. Принцип действия запираемого тиристора................. 100
1 4.3.2. Проектирование запираемого тиристора................... 107
, 4.3.3. Конструкции специальных типов запираемых тиристоров... ПО
4.3.4. Взаимодействие запираемого тиристора со схемой......... 112
4.4. Тиристор с обратной проводимостью (ТОП) ....................... ИЗ
4.5. Тиристоры, включаемые светом ................................. 115
4.5.1. Простые светочувствительные управляющие электроды..... П7
4.5.2. Специальные конструкции управляющих электродов........ 119
4.6. Управляемый полем тиристор ................................... 123
4.6.1. СИТ в закрытом состоянии............................... 124
4.6.2. Включение тиристора со статической индукцией........... 126
4.6.3. Выключение тиристора со статической индукцией.......... 127
4.6.4. Включаемый светом СИТ.................................. 128
4.7. Триак ........................................................ 128
4.7.1. Режимы включения триака............................... 129
4.7.2. Практические конструкции и коммутирующий эффект
dv/dt ........................................................ 131
4.8. Неуправляемый р — п — р — п-переклюнатель..................... 133
4.9. Гибридные соединения полевых транзисторов и тиристоров....... 135
4.9.1. Шунты, управляемые МОП-транзисторами................... 135
4.9.2. Тиристор — МОП-транзистор.............................. 136
Глава 5. Производство мощных тиристоров............................ 138
5.1. Производство исходного кремния ............................... 140
5.1.1. Изготовление кремния методом Чохральского.............. 140
5.1.2. Изготовление кремния методом зонной плавки............. 141
5.1.3. Легирование кремния за счет нейтронной ядерной реакции. 142
5.1.4. Изготовление кремниевых пластин........................ 144
5.2. Эпитаксия .................................................... 145
5.3. Изготовлениер— н-переходов.................................... 148
5.3.1. Диффузия галлия и алюминия............................. 149
5.3.2. Диффузия бора.......................................... 150
5.3.3. Диффузия фосфора и мышьяка............................. 151
5.3.4. Ионная имплантация .................................... 152
5.3.5. Сплавные переходы...................................... 153
5.4. Оксидирование................................................. 154
206
5.5. Фотолитография ........................................... 155
5.6. Регулирование времени жизни неосновных носителей заряда .. 156
5.6.1. Предотвращение деградации времени жизни............. 156
5.6.2. Улучшение времени жизни........................... 158
5.6.3. Контролируемое уменьшение времени жизни............. 159
5.7. Контакты мощных тиристоров ..,............................ 169
5.8. Пассивация поверхности перехода .......................... 174
5.8.1. Стеклообразная фритта............................... 175
5.8.2. Термические оксиды.................................. 177
5.8.3. Пассивация полуизолирующнм полнкрнсталлическим крем-
нием 177
5.8.4. Кремнийорганические каучуки, смолы и полиимиды...... 179
Глава 6. Тепловое и механическое проектироваиие................. 180
6.1. Тепловые свойства......................................... 180
6.2. Проектирование корпусов силовых тиристоров................ 183
6.3. Методы охлаждения тиристоров.............................. 188
6.3.1. Воздушное охлаждение................................ 189
6.3.2. Жидкостное охлаждение............................... 190
6.3.3. Охлаждение, обусловленное фазовыми переходами....... 191
Список литературы................................ ................ 195
*