CS247248B1 - Zpětně vodivý tyristor - Google Patents

Abstract

Podstata řešeni spočívá ve vytvoření oddělovací vrstvy přiléhající k povrchu desky ze strany druhé základny. Oddělovací vrstva je stejného typu elektrické vodivosti jako katodový emitor tyristéru, tvoří přechod p-n s druhou vnitřní vrstvou 2 a nepřiléhá k žádné další polovodičové ani kontaktní vrstvě a její průmět na druhou základnu se nachází uvnitř průmětu anodového emitoru tyristoru a je tvořen souvislou oblastí ohraničenou dvěma uzavřenými křivkami, takže průmět anodového kontaktu diody leží vně oblasti vymezené na druhé základně vnějším okrajem oddělovací vrstvy a průměty řídicího kontaktu a katodového kontaktu tyristoru se nacházejí uvnitř oblasti vymezené z druhé základny vnitřním okrajem oddělovací vrstvy.

Description

Vynález se týká zpětně vodivého tyristorů, obsahujícího výkonovou rychlou diodu a výkonový rychlý tyristor integrované na jedné monokrystalické polovodičové desce. Integrace rychlého tyristorů s antiparalelně zapojenou rychlou diodou zajišíuje optimální vypínací podmínky spolu s minimálními požadavky na komutační obvody· Výhoda spočívá především v potlačení parazitních indukčnosti přívodů a v úspoře místa a hmotnosti obvodu·

Známá provedení zpětně vodivých tyristorů jsou'tvořena monokrystalickou polovodičovou deskou, obsahující vnitřní strukturu tyristorů a diody, opatřenou dvěma hlavními elektrodami pro vedení proudu a řídící elektrodou pro přivádění řídícího signálu·

Vnitřní struktura součástky je tvořena čtyřmi vrstvami střídavě opačného typu elektrické vodivosti, z nichž dvě vnější vrstvy přiléhají každá k jedné základně desky· Dvě vnitřní vrstvy-vytvářejí vzájemně centrální vysokonapěíový přechod v celém průřezu součástky a v části průřezu leží mezi oběma vnějšími vrstvami; ve zbývající části průřezu přiléhají každá k příslušné základně desky»

Tyristorová část součástky je určena oblastí se čtyřvrštvou strukturou zahrnující katodový emitor tyristorů s emitor ovými šunty a s katodovým kontaktem tyristorů, oblast řídící elektrody s případnou další pomocnou tyristorovou strukturou pro zesílení řídícího signálu opatřenou samostatným kontaktem a ze strany

247 248 první základny oblast anodového emitoru tyristoru. Diodová část je určena oblastí s dvouvrstvou strukturou zahrnující oba diodové emitory a anodový kontakt diody» Přechod mezi diodovou a tyristorovou částí tvoří tzv» oddělovací zóna, která se nezúčastňuje vedení hlavního proudu mezi oběma hlavními elektrodami při žádné polaritě napětí na elektrodách. Obvykle bývá tyristorová část umístěna ve střední oblasti desky, diodová část v obvodové oblasti desky a oddělovací zóna má tvar prstence, který vnitřním okrajem přiléhá k tyristorové části a vnějším okrajem k diodové části desky»

Při vypínání tyristoru musí koncentrace nadbytečných nosičů, nahromaděných ve vnitřních vrstvách tyristorové oblasti v průběhu propustné periody, poklesnout na úroveň srovnatelnou s rovnovážnou koncentrací majoritních nosičů v těchto vrstvách» Během vypínání tyristorové části protéká diodovou částí propustný proud a její vnitřní struktura je zaplavena vysokou koncentrací nerovnovážných nosičů, které pronikají přes oddělovací zónu do tyristorové oblasti a narušují tak proces jejího zotavení a obnovení blokovací schopnosti» Úroveň dosažených dynamických parametrů tyristoru závisí na tom, jak účinně omezuje oddělovací zóna toto nežádoucí pronikání nerovnovážných nosi-čů z diodové oblasti*

Známé způsoby konstrukce oddělovací zóny využívají např. širokou mezeru mezi katodovým emitorem tyristoru a anodovým emitorem diody na straně druhé základny desky a na protilehlé straně první základny širokou mezeru mezi katodovým emitorem diody a anodovým emitorem tyristoru. Další způsoby využívají např. nekontaktování oddělovací zóny na obou základnách, hluboké příkopy zasahující až pod úroveň •entrálního přechodu na povrchu pasivované sklem, dále tzv. anulátory * úzké kontaktované prstence vysokodotovaných vrstev umístěné při okrajích oddělovací zóny nebo různé kombinace těchto způsobů, Nevýhodou široké oddělovací zóny je snížení aktivní plochy součástky, která má nepříznivý vliv na propustné parametry. Vytváření hlubokých příkopů s pasivací skly je nevýhodné jak z technologického hlediska, tak i z hlediska nepříznivých dopadů na opakovatelné napětí součástky. Proto bývá nejčastěji využíváno emitorových anulátorů. Oddělovací zóna s emitorovými anulátory však vyžaduje pro účinné oddělení obou částí, aby druhé vnitřní vrstva mě-la nízkou příčnou vodivost. Pro zajištění dobrých dynamických vlastν' ností je potom nutné, aby katodová emitorová vrstva tyristoru

247 248 obsahovala relativně velký počet emitorových šuntů, což má jednak nepříznivý dopad na roašiřování sepnutého stavu a tím zapínací vlastnosti, jednak znamená obtížnou realizaci u vertikálně členěné struktury. Některé aplikace se zpětně vodivými tyristory pracují v pulsním režimu s krátkými proudovými pulsy e vysoké amplitudě a vyžadují proto velmi dobré zapínací vlastnosti, jichž se dosahuje právě pomocí vertikálně členěné struktury katodového emitoru tyristoru s členěnou řídící strukturou umístěnou v zahloubených příkopech.

Řešení zpětně vodivého tyristoru podle vynálezu odstraňuje uvedené nevýhody a jeho podstata spočívá v tom, že k povrchu desky ze strany druhé základny přiléhá další vnější polovodičová oddělovací vrstva, která je stejného typu elektrické vodivosti jako katodový emitor tyristoru. Tvoří přechod p-n s druhou vnitřní vrstvou a nepřiléhá k žádné další polovodičové ani kontaktní vrstvě a její průmět na druhou základnu se nachází uvnitř průmětu anodového emitoru tyristoru a je tvořen souvislou oblastí ohraničenou dvěma uzavřenými křivkami tak, že průmět anodového kontaktu diody leží vně oblasti vymezené na druhé základně vnějším okrajem oddělovací vrstvy a průměty řídícího kontaktu a katodového kontaktu tyristoru se nacházejí uvnitř oblasti vymezené ze druhé základny vnitřním okrajem oddělovací vrstvy.

Výhodou konstrukce zpětně vodivého tyristoru podle vynálezu je vysoká účinnost potlačení vzájemného ovlivňování funkčních částí. Účinnému oddělení obou funkčních částí přitom nevadí vysoká příčná vodivost druhé vnitřní vrstvy. Zpětně vodivý tyristor podle vynálezu může mít relativně menší hustotu šuntovací sítě v emitorové vrstvě katody tyristoru, což příznivě ovlivňuje zapínací vlastnosti součástky,. Využití vynálezu je zvláště vhodné pro zpětně vodivý tyristor s vertikálně členěnou strukturou určený pro pulsní pracovní režim. Další výhodou konstrukce zpětně vodivého tyristoru podle vynálezu je snadná technologická realizovatelnost. Realizace oddělovací zóny podle vynálezu nevyžaduje žádné mechanické zásahy do křemíkové desky, ani žádné samostatné difuzní nebo fotolitografické operace. Oddělovací vrstva se vytvoří v jedné technologické operaci současně s vrstvou katodového emitoru tyristoru difúzí přes společnou fotolitografickou masku. Oddělovací vrstva přitom nevyžaduje vyšší přesnost fotolitografických operací než zbývají4 cí část struktury» ^{247 248}

Nekontaktováná oddělovací vrstva zpětně vodivého tyristorů přiléhá k druhé základně desky a je vnořena do druhé vnitřní vrstvy, takže snižuje její příčnou vodivost v oddělovací zóně a tím zamezuje injekci děr z druhé vnitřní vrstvy. Ze strany první základny leží proti oddělovací vrstvě přesahující část anodového emitoru tyristorů, která zabraňuje injekci elektronů z katodovéhe émitoru diody do oddělovací zóny» Pronikání nerovnovážných nositelů difúzí přes slabě dotovanou první vnitřní vrstvu je omezeno lokálním snížením doby života nosičů v oddělovací zoně_e

Na přiloženém výkresu jsou zobrazeny dva příklady provedení zpětně vodivého tyristorů; na obr_e 1 je v řezu struktura zpětně vodivého tyristorů dle popsaného stavu techniky a na obr. 2 je ve dvou pohledech struktura zpětně vodivého tyristorů podle vynálezu»

Struktura /obr«l/ obsahuje první vnitřní vrstvu 1 , která tvoří s druhou vnitřní vrstvou 2 opačného typu elektrické vodivosti přechod p-n, V části průřezu přiléhá první vnitřní vrstva 1 k první základně desky, druhá vnitřní vrstva 2 k druhé základně desky. První vnější vrstva tzv. anodový emitor 2 tyristorů, má stejný typ elektrické vodivosti jako druhá vnitřní vrstva 2, je silně dotovaná a je zanořena do první vnitřní vrstvy 1 takovým způsobem, že s ní tvoří přechod p-n a přiléhá k první základně desky. Silně dotovaná druhá vnější vrstva - katodový emitor 4 tyristorů, je zanořena do druhé vnější vrstvy tak, že s ní tvoří přechod p-n a přiléhá k druhé základně desky. První vnitřní vrstva 1 obsahuje v místě, kde přiléhá k první základně, oblast zvýšené vodivosti tvořící katodový emitor % diody. Rovněž druhá vnitřní vrstva 2 obsahuje v místě, kde přiléhá k druhé základně desky, oblast zvýšené vodivosti - anodový emitor 6 diody, opatřený kontakt ní vrstvou anodového kontaktu 2 diody. Druhá vnější vrstva - katodový emitor 4 tyristorů je na povrchu desky opatřena katodovým kontaktem 8 tyristorů. K první základně desky přiléhá první hlavní elektroda 2» která má kontakt s anodovým emitorem J tyristorů a s katodovým emitorem 2 diody. Ke druhé základně přiléhá druhá hlavní elektroda 10, vodivě spojená s katodovým kontaktem 8 tyristorů a s anodovým kontaktem 2 diody. K druhé základně desky přiléhá dále řídící elektroda 11, která má kontakt s druhou vnitřní vrstvou 2. Druhá vnitřní vrstva 2 má kromě toho kontakt s vrstvou katodového

247 248 kontaktu 8 tyristoru v řadě diskrétních míst tzv. emitorových šuntů 12.

Struktura zpětně vodivého tyristoru podle vynálezu /obr. 2/ integruje opět na kruhové monokrystalické desce rychlý tyristor umístěný v centrální Části desky a rychlou diodu v její obvodové části. Struktura sestává z první vnitřní vrstvy 1, která je tvořena výchozím polovodičovým materiálem desky s elektrickou vodivostí typu n. Druhá vnitřní vrstva 2 je p-typu elektrické vodivosti a je tvořena difúzí hliníku do jedné strany desky. Tyto dvě vnitřní vrstvy vytvářejí centrální p-n přechod v celém průřezu struktury. K první základně desky přiléhá první vnější vrstva anodový emitor 2 tyristoru a první vnitřní vrstva 1 s oblastí zvýšené vodivosti - katodovým emitorem 2 hiody. K druhé základně přiléhá druhá vnější vrstva - katodový emitor £ tyristoru a druhá vnitřní vrstva s oblastí zvýšené vodivosti - anodovým emitorem 6 diody. Ze strany první základny je křemíková deska připájena AISi pájkou k molybdenové termokompenzační elektrodě, tvořící první hlavní elektrodu 2i vytvářející ohmický kontakt s anodovým emitorem 2 tyristoru a s katodovým emitorem 2 diody. K druhé základně desky přiléhá anodový kontakt χ diody, vytvářející ohmický spoj s anodovým emitorem 6 diody, dále katodový kontakt 8 tyristoru, vytvářející ohmický spoj s katodovým emitorem £ tyristoru a s druhou vnitřní vrstvou 2. K druhé základně dále přiléhá kontakt 11 řídící elektrody, vytvářející ohmický spoj s druhou vnitřní vrstvou 2. Anodový kontakt χ diody je vodivě spojen s druhou hlavní elektrodou 10 a uvnitř oblasti vymezené jeho vnitřním okrajem je průmět katodového kontaktu 8 tyristoru rovněž vodivě spojeného s druhou hlavní elektrodou 10 a průmět kontaktu 11 řídící elektrody. Anodový emitor 2 tyristoru je p-typu elektrické vodivosti a je vytvářen současně s anodovým emitorem 6 diody difúzí bóru.

Katodový emitor £ tyristoru je tvořen difúzí fosforu současně v téže operaci s katodovým emitorem 2 úiody a s další vnější polovodičovou oddělovací vrstvou 13. přiléhající k povrchu desky ze strany druhé základny a tvořící p-n přechod s druhou vnitřní vrstvou 2₀ Oddělovací vrstva 13 nepřiléhá k žádné další polovodičové vrstvě, je nekontaktovaná a její průmět na druhou základnu se nachází uvnitř průmětu anodového emitoru 2 tyristoru a je tvořen souvislou oblastí ohraničenou dvěma uzavřenými křivkami tak, že průmět anodového kontaktu χ diody leží vně oblasti vymezené

247 248 na druhé základně 'vnějším okrajem oddělovací vrstvy 13 a průměty řídícího kontaktu 11 a katodového kontaktu 8 tyristoru se nacházejí uvnitř oblasti vymezené z druhé základny vnitřním okrajem oddělovací vrstvy 13.

V oddělovací zóně struktury je lokálně snížena doba života nositelů náboje ozářením křemíkové desky s vytvořenou kontaktní strukturou vysokoenergetickými elektrony přes stínící kovovou masku.

Oblastí využití vynálezu je výroba zpětně vodivých tyristorů s jednoduchou anebo členěnou řídící strukturou s planární nebo vertikálně členěnou vrstvou katodového emitoru tyristorové části vytvořené difuzní technologií na monokrystalické křemíkové desce.

Claims (3)

1. Předmět vynálezu

   247 248

   1· Zpětně vodivý tyristor obsahující na jedné monokrystalické polovodičové desce strukturu rychlého tyristoru a rychlé diody tvořenou čtyřmi polovodičovými vrstvami střídavě opačného typu elektrické vodivosti s přechody p-n mezi přilehlými vrstvami, přičemž dvě vnitřní vrstvy přiléhají k sobě navzájem a vytvářejí centrální přechod p-n v celém průřezu desky, v části průřezu přiléhají každá k jedné základně desky a obsahují každá oblast zvýšené vodivosti, přilehlou k příslušné základně desky, do každé z obou vnitřních vrstev je vnořena příslušná vnější vrstva vytvářející s ní přechod p-n a přiléhající k příslušné základně tak, že k první základně přiléhá první vnější vrstva tzv, anodový emitor tyristoru a první vnitřní vrstva s oblastí zvýšené vodivosti tzv, katodovým emitorem diody a ke druhé základně přiléhá druhá vnější vrstva tzv, katodový emitor tyristoru a druhá vnitřní vrstva s oblastí zvýšené vodivosti tzv, anodovým emitorem diody, k první základně přiléhá dále první hlavní elektroda vytvářející ohmický kontakt s anodovým emitorem tyristoru a s katodovým emitorem diody a k druhé základně přiléhá vrstva anodového kontaktu diody vytvářející ohmický spoj s anodovým emitorem diody, dále vrstva katodového kontaktu tyristoru, vytvářející ohmický spoj s vrstvou katodového emitoru tyristoru a s druhou vnitřní vrstvou a dále k druhé základně přiléhá vrstva kontaktu řídící elektrody vytvářející ohmický spoj s druhou vnitřní vrstvou, přičemž anodový kontakt diody je vodivě spojen s druhou hlavní elektrodou a je umístěn v obvodové části desky tak, že mezi jeho vnějším okrajem desky se nachází pouze nekontaktovaný povrch desky a uvnitř oblasti vymezené na druhé základně vnitřním okrajem anodového kontaktu diody se nachází průmět katodového kontaktu tyristoru vodivě spojeného s druhou hlavní elektrodou a průmět kontaktu řídící elektrody a mezi řídícím kontaktem a katodovým kontaktem tyristoru je případně pomocná tyristorová struktura, opatřená samostatnou kontaktní vrstvou, případně členěnou, vyznačený tím , žek povrchu desky ze strany druhé základny přiléhá další vnější polovodičová

   247 248 oddělovací vrstva /13/, která je stejného typu elektrické vodivosti jako katodový emitor /4/ tyristoru, tvoří přechod p-n s druhou vnitřní vrstvou /2/ a^r&iléhá k žádné další polovodičové ani kontaktní vrstvě a její průmět na druhou základnu se nachází uvnitř průmětu anodového emitoru /3/ tyristoru a je tvořen souvislou oblastí ohraničenou dvěma uzavřenými křivkami tak, že průmět anodového kontaktu /7/ diody leží vně oblasti vymezené na druhé základně vnějším okrajem oddělovací vrstvy /13/ a průměty řídícího kontaktu /11/ a katodového kontaktu /8/ tyristoru se nacházejí uvnitř oblasti yjvmezené ze druhé základny vnitřním okrajem oddělovací vrstvy /13/·
2. 2, Zpětně vodivý tyristor podle bodu 1,vyznačený tím, že v monokrystalické desce se nachází oblast zvýšené koncentrace rekombinačních center taková, že průmět oddělovací vrstvy /13/ se nachází uvnitř průmětu oblasti zvýšené koncentrace rekombinačních center, který zaujímá méně, než 25 % plochy druhé základny desky·
3. 3· Zpětně vodivý tyristor podle bodu 1 vyznačený tím , že mezi anodovým kontaktem /7/ diody a katodovým kontaktem /8/ tyristoru se nachází na straně druhé základny nekontaktovaná zahloubená oblast v níž je vzdálenost povrchu desky od centrálního přechodu p-n tvořeného první' vnitřní vrstvou /1/ a druhou vnitřní vrstvou /2/ alespoň o 10 % menší než v oblasti k níž přiléhá anodový kontakt /7/ diody, přičemž oddělovací vrstva /13/ se nachází uvnitř zahloubené oblasti.