RU160232U1

RU160232U1 - Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока

Info

Publication number: RU160232U1
Application number: RU2015118769/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Всеволодович Грехов; Людмила Серафимовна Костина; Александр Готфридович Люблинский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Мегаимпульс"
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Высоковольтный кремниевый диод с резким обрывом обратного тока, полупроводниковая структура которого имеет высоколегированные эмиттерные слои n- и р-типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах исходной кремниевой пластины, и базовую область между ними, отличающийся тем, что эта базовая область имеет p-тип проводимости и состоит из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием р- типа проводимости с удельным сопротивлением в диапазоне 5≤р≤100 Ом∙см, а другой - более сильно легированным р-слоем, полученным, например, путем диффузии примеси p-типа в исходный материал на глубину 20-70 мкм.

Description

Высоковольтный полупроводниковый диод с резким обрывом обратного тока.

Заявляемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой импульсной электронике нано и субнаносекундного диапазона и может быть использована в качестве элементной базы для генерации коротких мощных электрических импульсов в устройствах с индуктивными накопителями энергии.

Известен мощный кремниевый диод, используемый в качестве наносекундных размыкателей тока в генераторах импульсов с индуктивными накопителями энергии (Патент РФ №2059345, H05H 5/04).

Такой диод имеет высоколегированные эмиттерные слои n⁺ и p⁺ типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах исходной пластины n₀ - типа проводимости, а блокирующий p^/n₀ - переход выполнен путем диффузии алюминия в кремний со стороны p⁺-эмиттера на глубину 75-125 мкм; таким образом, базовая область между p^/ и n⁺- слоями имеет n₀-тип проводимости. Здесь и далее:

- n⁺, p⁺ - сильнолегированные (более 1∗10¹⁹ см^-3) слои кремния n и p-типа проводимости,

- n^/, p^/ - слои кремния со средним уровнем легирования (10¹⁶-10¹⁸ см^-3),

- n₀, p₀ - исходный материал n и p-типа проводимости с концентрацией примеси 10¹⁵-10³ см^-3.

Авторами патента показано, что такой диод после прохождения через него короткого импульса тока сначала в проводящем направлении, а затем в обратном направлении, способны обрывать обратный ток с плотностью в десятки кА/см² за время в десятки наносекунд.

В патенте RU 2156014 C1, Н01Д 29/86 от 04.02.1999, который является прототипом заявляемой полезной модели, предложено увеличить глубину залегания p^/n-перехода в кремниевой p⁺p^/nn⁺-структуре до 180-220 мкм, что приводит к уменьшению времени обрыва тока до 4-8 нс. Такие диоды, получившие название SOS-диодов, используются для создания генераторов наносекундных импульсов гигаваттной мощности. Основным преимуществом SOS-диодов является очень высокая допустимая плотность тока в импульсе - до нескольких десятков кА/см², что позволяет создавать на их основе сверхмощные размыкатели.

На рис. 1 показана конструкция p⁺p^/n₀n⁺- структуры SOS-диода с глубоким (до 200 мкм) p^/n₀ - переходом, полученным путем длительной диффузии алюминия в кремний n-типа проводимости. Процесс обрыва тока в таком SOS-диоде протекает следующим образом.

Коротким импульсом тока в проводящем направлении в p^/ и n₀ - слои вводится электронно-дырочная плазма, распределение которой показано на рис. 1а, кривая 1.

Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока. На левой p⁺p^/-границе этот ток чисто дырочный, а на правой n⁺n^/-границе - чисто электронный. Поскольку в кремнии подвижность дырок примерно втрое меньше подвижности электронов, то плотность потока дырок у p⁺p^/-границы примерно втрое больше, чем электронов у n⁺n₀ - границы при одинаковой плотности тока. Поэтому спад концентрации плазмы до нуля и образование резкого плазменного фронта 2 (рис. 1б) происходит именно у p⁺p⁷-границы и образовавшийся фронт движется вправо при нарастающем обратном токе. Когда концентрация свободных дырок в потоке превысит концентрацию легирующей примеси в месте расположения фронта, то в этом месте начинается резкое возрастание электрического поля и уменьшение подвижности дырок, сопротивление диода возрастает и ток из него вытесняется в параллельно включенную нагрузку. Это и есть так называемый SOS-эффект, позволяющий выключать ток с очень высокой плотностью - несколько десятков тысяч А/см². Недостатком конструкции SOS-диода является большая глубина залегания диффузионного p^/n₀-перехода (180-200 мкм), для получения которой необходима долговременная - несколько суток - термообработка при температуре около 1250°C.

Вторым недостатком является отсутствие полного обрыва тока из-за того, что центральный p^/n-переход после резкого спада тока, вызванного образованием области сильного поля в p^/-слое, остается залитым электронно-дырочной плазмой с высокой проводимостью.

Целью предлагаемой полезной модели является устранение этих недостатков, а именно, уменьшение длительности термообработки при изготовлении полупроводниковой структуры и обеспечение полного обрыва тока при выключении.

Сущность полезной модели и ее отличие от прототипа.

Поставленная цель достигается в показанной на рис. 2 диодной p⁺p^/p₀n^/n⁺-структуре, отличающейся от p⁺p^/n₀n⁺-структуры-прототипа тем, что базовая область имеет, в отличие от прототипа, не n, а p-тип проводимости и состоит из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием p₀-типа проводимости, а другой - более сильно легированным слоем p^/-типа проводимости, полученным, например, путем диффузии примеси p-типа, например, бора на глубину 20-70 мкм в исходный p₀-материал; одновременно создается n⁷-слой путем диффузии фосфора с противоположной стороны пластины. Величина удельного сопротивления p₀-слоя выбирается в диапазоне от 5 до 100 Ом·см, высоколегированные эмиттерные p⁺ и n⁺ слои создаются диффузией бора и фосфора с противоположных сторон пластин; при этом n^/-слой, создаваемый диффузией фосфора в исходный p₀ - материал, образует блокирующий n⁷p₀-переход.

Процесс обрыва тока в предлагаемой p⁺p^/p₀n^/n⁺- диодной структуре протекает следующим образом.

Коротким импульсом тока в проводящем направлении в базовые p^/ и p₀-слои вводится электронно-дырочная плазма, распределение которой показано на рис. 2а, кривая 1. Затем резко изменяется полярность приложенного напряжения и через диод проходит импульс обратного тока. (Рис. 2б, в) У p⁺p^/-границы образуется резкий плазменный фронт 2, перемещающийся вправо к p^/p₀ - переходу, (рис. 2б). Когда плазменный фронт переходит в область p₀, то концентрация перемещающихся влево дырок в потоке сразу превышает концентрацию легирующей примеси в месте расположения фронта, сопротивление области 3 (рис. 2в) диода резко возрастает и почти весь ток вытесняется в нагрузку; эта стадия процесса аналогична SOS-процессу в прототипе, но развивается этот процесс не в диффузионном p^/-слое, а в исходном материале с однородно распределенной концентрацией p₀легирующей примеси.

Одновременно с этим происходит спад концентрации плазмы справа, у n^/p₀-перехода; этот процесс происходит медленнее, поскольку удаляемые из плазмы электроны имеют втрое большую подвижность, чем дырки. Когда концентрация спадает до нуля, n^/p₀-переход смещается в обратном направлении, сопротивление его резко возрастает из-за образования области объемного заряда и ток полностью обрывается.

Конкретный пример выполнения.

В пластину кремния с p-типом проводимости и удельным сопротивлением 80 Ом·см была проведена совместная диффузия бора с одной и фосфора с другой стороны пластины на глубину 65 мкм и 55 мкм соответственно; поверхностная концентрация составляла 5×10¹⁹ и 1×10²⁰см^-3 соответственно. Толщина центральной области исходного кремния p₀ составляла 80 мкм. Контакты к полученной таким образом p⁺p^/p₀n⁺-структуре создавались методом химического никелирования с последующим вжиганием, а затем из нее вырезались алмазным инструментом диски диаметром 1,2 мм со скошенной боковой поверхностью. Затем боковая поверхность очищалась травлением и покрывалась защитным компаундом.

Осциллограмма процесса обрыва тока в таком диоде приведена на рис. 3. После протекания импульса прямого тока с длительностью 40 нс и амплитудой 8 А (плотность тока 730 кА/см²) к диоду прикладывается обратное напряжение; обратный ток (кривая 1) за ~10 нс нарастает до величины ~25 А (плотность 2,2 кА/см²). Согласно описанной модели, за это время плазменный фронт сначала перемещается по p^/-слою; затем переходит в p₀-слой, сопротивление диода резко возрастает и ток за ~2 нс переходит из диодной цепи в цепь нагрузки почти полностью. В момент обрыва тока напряжение на диоде (кривая 2) за ~2 нс возрастает до 470 В.

Список литературы:

1. Патент Российской Федерации РФ №2059345, H05P 5/04

2. Патент RU 2156014 C1, Н01Д 29/86 от 04.02.1999 г.

Claims

Высоковольтный кремниевый диод с резким обрывом обратного тока, полупроводниковая структура которого имеет высоколегированные эмиттерные слои n⁺- и р⁺-типа проводимости, расположенные на противоположных сторонах исходной кремниевой пластины, и базовую область между ними, отличающийся тем, что эта базовая область имеет p-тип проводимости и состоит из двух слоев, один из которых является исходным слаболегированным кремнием р₀ - типа проводимости с удельным сопротивлением в диапазоне 5≤р₀≤100 Ом∙см, а другой - более сильно легированным р^/-слоем, полученным, например, путем диффузии примеси p-типа в исходный материал на глубину 20-70 мкм.