Opis patentowy opublikowano: 30.09.1983 Int. Cl/H01L 29/747 CZYTELNIA Urzedu Patentowego PiIuuj Iziczuwppiuij LulmJ Twórcywynalazku: Natalija Alekseevna Tetervova, Jurij Alekseevic Evseev, Anatolij Nikolaevic Dumanevic, Ljubomir Jaroslavovic Racinskij Uprawniony z patentu: Vsesojuznyj Elektrotechniceskij Institut im. V.I. Lenina, Moskwa (Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich) Tyrystor symetryczny Wynalazek dotyczy przyrzadówpólprzewodnikowych,a zwlaszcza tyrystorów symetrycznych, wykona¬ nych na podstawie struktur wielowarstwowych, na przyklad typu n-p-n-p-n z zabocznikowanymi zewnetrz¬ nymi zlaczami p-n.Znany jest tyrystor symetryczny, wykonany na podstawie struktury pieciowarstwowej n-p-n-p-n z zabocznikowanymi przez zlacze podstawowego odbioru pradu wewnetrznymi zlaczami emiterowymi p-n.Tyrystorzawiera elektrode sterujaca, pod która usytuowane sa obszary o przewodnictwie typu n t p, a miedzy zlaczem podstawowego odbioru pradu i elektroda sterujaca uystuowane sa obszary pomocnicze o przewod¬ nictwie typu n i p, polaczone ze soba za pomoca dodatkowego zlacza metalicznego. Obszary o przewodnict¬ wie typu n i p pod elektroda sterujaca sa wykonane tak, ze sa im przeciwstawioneobszary o przeciwnym typie przewodnictwa pod zlaczem podstawowego odbioru pradu, a za pomoca dodatkowego zlacza metalicznego sa polaczone pomocnicze obszary o przewodnictwie typu n i p tak, ii bocznikowane zlacza p-n jest realizowane w kierunku podstawowego odbioru pradu dla czesci struktury od strony przylegajacej do obszaru o przewodnictwie typu p pod elektroda sterujaca, i w kierunku elektrody sterujacej dla czesci struktury, przylegajacej do obszaru o przewodnictwie typu n pod elektroda sterujaca. Rzut obszarów pomocniczych na przeciwlegla powierzchnie struktury pokrywa sie z obszarem o takim samym typie przewodnictwa co i obszar pomocniczy.W znanych konstrukcjach tyrystorów symetrycznych skutecznosc wykorzystania plytki pólprzewodni¬ kowej, w szczególnosci w przypadku przyrzadów, obliczonych na male moce,jest bardzo mala. Poza tym nie we wszystkich kwadrantach w przypadku znanych konstrukcji tyrystorów symetrycznych o zalaczaniu regeneratywnym zapewnia sie maksymalna powierzchnie zalaczenia pierwotnego, co doprowadza do obnize¬ nia wartosci krytycznych szybkosci narastania pradu anodowego (wartosci dl/dt).Zadaniem wynalazku jest zaprojektowanie tyrystora symetrycznego o takiej konstrukcji, która bylaby zdolna wytrzymac wysokie krytyczne wartosci szybkosci narastania pradu anodowego przy zmniejszonych wymiarach obszaru sterowania i zapewnialaby przy tym maksymalna powierzchnie wlaczenia.Postawione zadanie zostalo rozwiazane w wyniku zaprojektowania tyrystora symetrycznego, wykona¬ nego na podstawie struktury wielowarstwowej o zmieniajacym sie na przemian typie przewodnictwa, z zabocznikowanym przez zlacze podstawowego odbioru pradu zewnetrznymi zlaczami emiterowymi p-n, z elektroda sterujaca, pod która usytuowane sa obszary o przewodnictwie typu p i n, oraz z pomocniczymi obszarami o przewodnictwie typu p i n, usytuowanymi miedzy zlaczem podstawowego odbioru pradu i2 119 680 elektroda sterujaca i polaczonymi ze soba za pomoca dodatkowego zlacza metalicznego. Zgodnie z wynalaz¬ kiem obszary o przewodnictwie typu p i n, usytuowane pod elektroda sterujaca sa wykonane tak, iz sa przeciwlegle do obszarów o takim samym typie przewodnictwa usytuowanych pod zlaczem podstawowego odbioru pradu, a usytuowany miedzy kazda para naprzeciwleglych obszarów obszar pomocniczy ma przewodnictwo o przeciwnym typie i jego rzut na przeciwlegla powierzchnie struktury co najmniej czesciowo pokrywa sie z obszarem o przeciwnym typie przewodnictwa, wychodzacym na te powierzchnie.Celem zwiekszenia krytycznej szybkosci narastania pradu anodowego w przypadku dowolnej bieguno¬ wosci w obwodzie sterowania, jak równiez celem zapewnienia minimalnych pradów sterujacych w czwartym kwadrancie (odwrotne zalaczenie sygnalem dodatnim)dodatkowo do obszaru pomocniczego o przewodnict¬ wie typu p naprzeciwko obszaru o przewodnictwie typu p pod elektroda sterujaca wytworzony jest obszar o przewodnictwie typu n.Zaproponowana konstrukcja tyrystora symetrycznego jest dostatecznie prosta w wytwarzaniu i moze byc zrealizowana z wykorzystaniem technologii fotolitografii. W danej konstrukcji przy minimalnych pradach sterujacych zapewnia sie regeneratywny mechanizm zalaczenia tyrystora symetrycznego, dzieki czemu osiagane sa duze wartosci wielkosci dl/dt.Istota wynalazku jest blizej wyjasniona w przykladach realizacji w oparciu o zalaczony rysunek, na którym fig. 1 przedstawia widok z góry struktury tyrystora symetrycznego, sterowalnego w trzech kwadra- tantach z wykorzystaniem regeneratywnego mechanizmu zalaczenia, fig. 2 — widok z dolu na strukture, przedstawiona na fig. 1, fig. 3 — widok z góry struktury tyrystora symetrycznego, sterowalnego w czterech kwadrantach z wykorzystaniem regeneratywnego mechanizmu zalaczania, fig. 4 — widok z dolu struktury, przedstawionej na fig. 3, fig. 5 — strukture symetrycznego tyrystora, przedstawionego na fig. 3 w przekroju wedlug linii y-y-y-y,fig. 6—strukture symetrycznego tyrystora przedstawionego na fig. 3w przekroju wedlug linii YI-YI-YY,fig. 7 — strukture tyrystora, przedstawionego na fig. 3 w przekroju wedlug linii YII-Y-Y-YII, fig. 8 przedstawia strukture tyrystora symetrycznego z fig. 3 w przekroju wedlug linii YIII-YIII-Y-YII.Tyrystor symetryczny wedlug wynalazku zawiera zlacze 1 (fig. 1) podstawowego odbioru pradu, które to zlacze bocznikuje zewnetrzne zlacze emiterowe 2. Elektroda sterujaca 3 jest podlaczona do obszarów 4 i 5 o przewodnictwie typu n i p odpowiednio, przy czym obszary 4 i 5 sa usytuowane tak, iz kazdemu z nich odpowiada przeciwlegly obszar 6 lub 7 o takim samym typie przewodnictwa pod zlaczem 1 podstawowego odbioru pradu. Miedzy elektroda sterujaca 3 i zlaczem 1 podstawowego odbioru pradu sa usytuowane obszary pomocnicze 8 i 9 o przewodnictwie typu n i p odpowiednio tak, iz kazdemu obszarowi pomocni¬ czemu 8 i 9 odpowiadaja naprzeciwlegle obszary 6, 5 i 7,4 odpowiednio o przewodnictwie odmiennego typu niz typ przewodnictwa tego obszaru pod zlaczem 1 podstawowego odbioru pradu i elektroda sterujaca 3.Obszary pomocnicze 8 i 9 sa polaczone elektrycznie ze soba za pomoca dodatkowego zlacza metali¬ cznego 10. Zlacze 1 podstawowego odbioru pradu, elektroda sterujaca 3 i zlacze metaliczne lOsa pokazane na fig. 1 w postaci obszarów zakreskowanych, ograniczonych okregiem i liniami kreskowanymi.Na przeciwlegla (dolna) powierzchnie tyrystora symetrycznego wedlug wynalazku sa wyprowadzone warstwy 11 (fig. 2), 12, 13 o przewodnictwie typu n oraz warstwa 14 o przewodnictwie typu p. Zlacze podstawowego odbioru pradu na fig. 2 nie jest pokazane, aby nie zaciemniac rysunku. Liniami kreskowa¬ nymi sa zaznaczone rzuty obszarów pomocniczych 8 (fig. 1) i 9 na dolna powierzchnie tyrystora. Widoczne jest tutaj, ze kazdy z tych obszarów czesciowo pokrywa sie z obszarem o przeciwnym typie przewodnictwa.Konstrukcja tyrystora symetrycznego, przedstawionego na fig. 1 i 2, pozwala zrealizowac sterowanie przyrzadem w trzech kwadrantach z wykorzystaniem regeneratywnego mechanizmu zalaczania.Do zapewnienia mozliwosci realizacji sterowania tyrystorem symetrycznym w czterech kwadrantach z wykorzystywaniem regeneratywnego mechanizmu zalaczania przeznaczona jest konstrukcja struktury, przedstawiona na fig. 3 i 4. W tym przypadku w odróznieniu od pierwszego przykladu realizacji wynalazku w obszarze pomocniczym 9 o przewodnictwie typu p dodatkowo wytworzony jest obszar 15 o przewodnictwie typu n naprzeciwko obszaru 51 o przewodnictwie typu p pod elektroda sterujaca 3. Poza tym w obszarze pomocniczym 8 wytworzone sa obszary bocznikujace 16.Figury 5, 6, 7 i 8 sluza do wyjasnienia pracy tyrystora symetrycznego we wszystkich czterech kwadran¬ tach. Sa to widoki wielowarstwowej struktury tyrystora w przekrojach poprzecznych. Na tych figurach tytulem przykladu przedstawionyjest tyrystor, wytworzony na podstawie struktury wielowarstwowej -p-n-p- n o usytuowanych na przemian warstwach o przewodnictwie typu nip.Warstwa 17 przedstawia soba material podloza o przewodnictwie typu n o malej koncentracji domieszek.Do warstwy 17 przylegaja z jednej strony warstwa 14 a z drugiej strony obszar (warstwa) 6 o przewod¬ nictwie typu p. W warstwach 14, 6 wytworzone sa obszary 11 i 13, obszary 41, 7 i obszar pomocniczy 8119 680 3 o przewodnictwie typu n. Na dolnej powierzchni struktury wytworzone jest zlacze 18 podstawowego odbioru pradu.Tyrystor symetryczny wedlug wynalazku pracuje w sposób nastepujacy. Praca tyrystora symetrycznego w pierwszym kwadrancie jest wyjasniona w oparciu o fig. 5. Pierwotnie zalacza sie tyrystor pomocnic/y o obszarze katodowym 8 (obszar pomocniczy), a nastepnie zlaczem dodatkowym 10sygnal doprowadza sie do obwodu sterowania tyrystora glównego, majacego obszar katodowy 7 (obszar pomocniczy).Praca tyrystora symetrycznego w drugim kwadrancie jest wyjasniona na fig. 6. W danym przypadku mechanizm zalaczenia sklada sie z trzech etapów: najpierw zalacza sie tyrystor o obszarze katodowym — obszarze 41 obszar sterowania, nastepnie tyrystor o obszarze katodowym 8 i, wreszcie glówny tyrystor o obszarze katodowym 7.Na figurze 7 wyjasniona jest praca tyrystora symetrycznego w trzecim kwadrancie. Poprzez wstrzykiwa¬ nie elektronów z obszaru 4l zapewnia sie wlaczenie tyrystora o obszarze katodowym 13 (warstwa), nastepnie zaczyna wstrzykiwanie obszar 8, w wyniku czego zalacza sie glówny tyrystor o obszarze katodowym 11 (warstwa 11). W tym przypadku optymalne warunki pracy przyrzadu sa zapewnione pod warunkiem, gdy rzut obszarów 8 i 9 na dolna powierzchnie struktury przynajmniej czesciowo pokrywaly sie z obszarami 14 i 13 odpowiednio.Na figurze 8 wyjasniona jest praca tyrystora symetrycznego w czwartym kwadrancie. Obszar 15 w pomocniczym obszarze 9 o przewodnictwie typu p sluzy do zmniejszenia pradów sterujacych. Obszar zalaczenia pierwotnego w przypadku biegunowosci takiej, jak pokazano na rysunku, na zlaczach 1, 18 podstawowego odbioru pradu i na elektrodzie sterujacej 3 wytwarza sie w tyrystorze o obszarze katodowym 13 dzieki wstrzykiwaniu z obszaru 15. Nastepnie proces zalaczania przebiega w sposób, analogiczny do tego, jak to zostalo opisane dla fig. 7.W tym przypadku, gdy nie jest wymagane zapewnienie regeneratywnego procesu zalaczenia tyrystora symetrycznego we wszystkich czterech kwadrantach, konstrukcja przyrzadu moze byc znacznie uproszczona zgodnie z fig. 1, 2. Takieuproszczenie konstrukcji jest korzystne z punktu widzenia zwiekszenia zdolnosci komutacyjnej przyrzadu, poniewaz w tym przypadku eliminuje sie szereg zachodzacych na siebie rzutów obszarów o przewodnictwie tego samego typu co i obszaru 17.Aby polepszyc stabilnosc temperaturowa parametrów tyrystora symetrycznego oraz zwiekszyc wytrzy¬ malosc przyrzadu w stosunku do duzych szybkosci narastania napiecia, korzystnym jest wykonanie boczni¬ ków w obszarach emiterowych o przewodnictwie typu n analogicznych do boczników 16 (fig. 3) w obszarze pomocniczym 8.Zastrzezeni a pa tentów e 1. Tyrystor symetryczny, wytworzony na podstawie struktury wielowarstwowej o zmieniajacych sie na przemian warstwach o odmiennym typie przewodnictwa z zabocznikowanymi przez zlacze podstawowego odbioru pradu zewnetrznymi zlaczami emiterowymi p-n, z elektroda sterujaca, pod która usytuowane sa obszary o przewodnictwie typu n i p, i z pomocniczymiobszarami oprzewodnictwie typupin, usytuowanymi miedzy zlaczem podstawowego odbioru pradu i elektroda stertujaca i polaczonymi ze soba za pomoca dodatkowego zlacza metalicznego, zumkmy tyw, £e obszary (4, 5) o przewodnictwie typu n i p pod elektroda sterujaca (3) sa wykonane tak, ze usytuowanesajJipi^eciwiegle obszarów (< i 7) o takinrsinnyffi typie przewodnictwa, usytuowanych pod zlaczem (1) podstawowego odbioru pradu, a usytuowaflfy miedzy kazda para naprzeciwleglych obszarów otwar pOn*6cniczy (S i 4|ijSa ttcfetienny typ przewodnictwa niz przeciwlegle obszary (i, 5 i 4, 7) i jego rzut na przeciwlegla powierzchniastruktury przynajmniej czesciowo pokrywa sie z obszarem (14 i 13) o odmiennym typle przewodnictwa, wychodzacym na te powierzchnie. 2. Tyrystorwedlug zastrz. 1, znamleaityty, ze c^tzarpomocniczy (9)?oprzewodnictwie typu p zawiera wytworzony w nim obszar dodatkowy (19) o przewodnictwie typu n,usytuowany naprzeciwko obszaru (5') o przewodnictwie typu p pod elektroda sterujaca (3).119680 11- FIG.2 1 n \ K— 1 1 1 p n / ^^13 4 \V FIG.3 5' T 4 FIG. 4 n- -14 n i-15119680 \r l YZZZj. 8 10 9 W/tyl/ HV- ygm w???? 1 f6 5- 1? v- 18 F sf \r»»w»Asj/(ssv/»s/»»A 77777, FI6.5 1/4 -) 10 8 9 (+) '77TA YSSSS7SS779S* •zzzz.7 ~k l-c n '\_ \//SAS;S77/7\t/777\777S7;;;//7/v\ 18 FIG. 6 w ¦i/4 0(~) re 7) n~ TV VT (+) 15 9 tO 8 ( 77 v////////////, 4-/7 "TV \6 13 n T" fr P /7) ZZZZZZZZZZZZZZfrll V/;b7777/77/7777//A//f7777Z J_ )e 13 i_ l/8 17 11 FIG. 7 F/G.8 PL