RU2106720C1 - Симметричный тиристор - Google Patents

Abstract

Использование: микроэлектроника, полупроводниковые приборы - симметричные тиристоры (ТС), представляющие собой интегральный прибор, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров с общим управляющим электродом. Сущность изобретения: ТС включает в себя средний базовый n-слой, первый р-слой, который прилегает к среднему базовому n-слою сверху и содержит эмиттерный, управляющий и разделительный участки, выходящие на первую главную поверхность: второй р-слой, который прилегает к среднему базовому п-слою снизу и содержит эмитерный участок, выходящий на вторую главную поверхность, первый эмиттерный п-слой, первый дополнительный п-слой и вспомогательный п-слой, которые образуют p-n-переходы с первым p-слоем и выходят на первую главную поверхность, второй эмиттерный n-слой и являющийся его продолжением второй дополнительный n-слой, который образует p-n-переход с вторым p-слоем и выходят на вторую главную поверхность. Предложена конструкция ТС, приводящая к уменьшению отпирающих токов управления ТС при их включении и обеспечению примерного равенства значения этих токов управления. 5 з. п. ф-лы, 12 ил.

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к симметричным тиристорам, представляющим собой интегральный прибор, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров с общим управляющим электродом, и может быть использовано при создании новых типов симметричных тиристоров.

В зависимости от особенностей конструкции полупроводниковой структуры симметричные тиристоры (ТС) способны включаться током управления при разных полярностях напряжения на 2-м основном и управляющем электродах относительно 1-го основного электрода, расположенного на той же главной поверхности структуры, что и управляющий электрод.

Принято говорить, что ТС включается в прямом направлении в 2-м или в 4-м квадратах, если напряжение на 2-м основном электроде (ОЭ2) положительно, а напряжение на управляющем электроде (УЭ), соответственно, положительно или отрицательно относительно 1-го основного электрода (ОЭ1). Аналогично считают, что ТС включается в обратном направлении во 2-м или 3-м квадрате, если напряжение на ОЭ2 отрицательно, а на УЭ, соответственно, положительно или отрицательно относительно ОЭ1.

Обязательным условием для ТС является способность к включению током управления по крайней мере в двух квадрантах: в 1-м или 4-м в прямом направлении и во 2-м или 3-м в обратном направлении. Наиболее предпочтительной является способность ТС к включению током управления в 1-м и 3-м квадрантах.

Одним из существенных недостатков ТС является то, что, во-первых, их отпирающие токи управления I_Gt при включении в обратном направлении, как правило, больше, чем при включении в прямом направлении, и, во-вторых, значения I_Gt даже при включении в прямом направлении превышает требуемые значения в ряде областей применения, например в устройствах автоматики с управлением от логических элементов.

Известна конструкция ТС, выполненного на основе многослойной полупроводниковой структуры дискообразной формы с не менее чем четырьмя p-n-переходами, образованными средним базовым n-слоем, первым и вторым p-слоями, прилегающими с двух сторон к среднему базовому n-слою, первым эмиттерным и первым дополнительным n-слоями, выходящими на первую главную поверхность структуры, вторым эмиттерным и вторым дополнительным n-слоями, выходящими на вторую главную поверхность структуры, в которой проекция первого эмиттерного n-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, и проекция на эту же плоскость второго дополнительного n-слоя, перекрываются в области, имеющей форму полукольца, в УЭ круглой формы размещен на первой главной поверхности в центре структуры соосно с указанной областью перекрытия и находится в омическом контакте с первым дополнительным n-слоем и первым p-слоем, причем участок первого p-слоя, с которым контактирует УЭ, расположенв напротив первого эмиттерного n-слоя и выходит на первую главную поверхность через паз в первом дополнительном n-слое, имеющем в проекции на вышеуказанную плоскость форму круга большего радиуса, чем УЭ [1].

Такая конструкция полупроводниковой структуры обеспечивает включение ТС током управления во всех четырех квадратах. Однако, если в этом нет необходимости, УЭ может целиком располагаться либо на дополнительном n-слое без паза (в этом случае ТС включается током управления только в 3-м и 4-м квадрантах), либо на p-слое без 1-го дополнительного n-слоя в области управления (при этом ТС включается током управления только в 1-м и во 2-м квадрантах).

Данная конструкция ТС обеспечивает уменьшение I_Gt лишь в 1-м и частично во 2-м квадрантах только в случае наличия 1-го дополнительного n-слоя с пазом, расположенным напротив 1-го эмиттерного n-слоя. Обусловлено это следующим. Участок p-слоя, выходящий на первую главную поверхность через паз в первом дополнительном n-слое и продолжительный до границы 1-го эмиттерного n-слоя, можно рассматривать как управляющий участок первого p-слоя. Он создает участок пониженного сопротивления для положительного тока управления, протекающего от УЭ к ОЭ1 в основном через приграничный с ним участок первого эмиттерного n-слоя. При этом указанный паз в первом дополнительном n-слое, в котором УЭ контактирует с первым p-слоем, фокусирует положительный ток управления, направляя его на короткий приграничный участок первого эмиттерного n-слоя (длина этого участка примерно равна ширина паза в 1-м дополнительном n-слое). Однако и при наличии первого дополнительного n-слояя с пазом ток I_Gt даже в 1-м квадранте остается относительно большим из-за малого значения сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1. Этот резистор образуется участками первого p-слоя, расположенными вокруг и под 1-м дополнительным n-слоем и напрямую связывающими УЭ и управляющий участок первого p-слоя с ОЭ1, минуя 1-й эмиттерный n-слой. Токи I_Gt при включении ТС в 3-м и 4-м квадрантах значительно больше, чем при включении в 1-м квадранте, так как в конструкции ТС не предусмотрена фокусировка отрицательного тока управления.

Известна конструкция ТС, содержащего многослойную полупроводниковую структуру с чередующимися слоями различного типа электропроводности и с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных ее сторонах, включающую в себя средний базовый n-слой, первый p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою сверху и содержащий эмиттерный, управляющий и разделительный участки, выходящие на первую главную поверхность, второй p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою снизу и содержащий эмиттерный участок, выходящий на вторую главную поверхность, первый эмиттерный n-слой, первый дополнительный n-слой и вспомогательный n-слой, образующие p-n-переходы с первым p-слоем и выходящие на первую главную поверхность, второй эмиттерный n-слой и являющийся его продолжением второй дополнительной n-слой, образующие p-n-переход с вторым p-слоем и выходящие на вторую главную поверхность, первый основной электрод, находящийся в омическом контакте с первым эмиттерным и вспомогательным n-слоями и с эмиттерным участком первого p-слоя, второй основной электрод, находящийся в омическом контакте с вторым эмиттерным и вторым дополнительным n-слоями и с эмиттерным участком второго p-слоя, и управляющий электрод, находящийся в омическом контакте с первым дополнительным n-слоем и управляющим участком первого p-слоя, образующим участок пониженного сопротивления для положительного тока управления между управляющим и первым основным электродами и граничащим с первым эмитерным n-слоем, при этом вспомогательный n-слой, являющийся продолжением первого эмиттерного n-слоя, расположен между эмиттерным участком первого p-слоя и разделительным участком первого p-слоя, отделяющим вспомогательный n-слой от первого дополнительного n-слоя, а проекция второго дополнительного n-слоя на плотность, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрывается с проекцией на эту же плоскость первого дополнительного n-слоя [2].

Проекции первого эмиттерного и второго дополнительного n-слоев на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрываются в области, имеющей форму полосы, ширина которой равна ширине вспомогательного n-слоя.

ТС такой конструкции способен включаться током управления в четырех квадрантах. Вспомогательный n-слой, являющийся продолжением 1-го эмиттерного n-слоя, повышает значение сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1 для положительного тока управления. Это способствует уменьшению паразитной составляющей положительного тока управления и тем самым тока I_Gt в целом при включении ТС в 1-м и во 2-м квадрантах. Однако в конструкции ТС не предусмотрена фокусировка положительного тока управления: первый эмиттерный n-слой граничит с управляющим участком первого p-слоя по всей длине своей границы, расположенной напротив УЭ. Вследствие этого значение I_Gt остаются относительно большими даже при включении ТС в 1-м и во 2-м квадрантах. Не предусмотрена в конструкции ТС фокусировка и отрицательного тока управления: последний воздействует на первый дополнительный n-слой по всей длине его границы, расположенной напротив вспомогательного n-слоя, расположенного под вспомогательным n-слоем, не способствует уменьшению паразитной составляющей отрицательного тока управления. Наоборот, оно приводит к повышению отпирающего напряжения управления и тем самым к некоторому увеличению паразитной составляющей этого тока из-за увеличения тока утечки от ОЭ1 и УЭ через шунты в первом эмиттерном n-слое. Все это приводит к повышенным значениям токов I_Gt при включении ТС в 3-м и 4-м квадрантах.

Техническим результатом изобретения является уменьшение отпирающих токов управления ТС при их включении по крайней мере в 1-м, 3-м и 4-м квадрантах и обеспечение примерного равенства значений этих токов управления.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции симметричного тиристора, содержащего многослойную полупроводниковую структуру с чередующимися слоями различного типа электропроводности и с двумя главными поверхностями, распложенными на противоположных ее сторонах, включающую в себя базовый n-слой, первый p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою сверху и содержащий эмиттерный, управляющий и разделительный участки, выходящие на первую главную поверхность, второй p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою снизу и содержащий эмиттерный участок, выходящий на вторую главную поверхность, первый эмиттерный n-слой, первый дополнительный n-слой и вспомогательный n-слой, образующие p-n-переходы с первым p-слоем и выходящие на первую главную поверхность, второй эмиттерный n-слой и являющийся его продолжением второй дополнительный n-слой, образующие p-n-переход с вторым p-слоем и выходящие на вторую главную поверхность, первый основной электрод, находящийся в омическом контакте с первым эмиттерным и вспомогательным n-слоями и с эмиттерным участком первого p-слоя, второй основной электрод, находящийся в омическом контакте с вторым эмиттерным и вторым дополнительным n-слоями и с эмиттерным участком второго p-слоя, и управляющий электрод, находящийся в омическом контакте с первым дополнительным n-слоем и управляющим участком первого p-слоя, образующим участок пониженного сопротивления для положительного управления между управляющим и первым основным электродами и граничащим с первым эмиттерным n-слоем, при этом вспомогательный n-слой, являющийся продолжением первого эмиттерного n-слоя, расположен между эмиттерным участком первого p-слоя и разделительным участком первого p-слоя, отделяющим вспомогательный n-слой от первого дополнительного n-слоя, а проекция второго дополнительного n-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрывается с проекцией на эту же плоскость первого дополнительного n-слоя, в области вспомогательного n-слоя между первым основным и управляющим электродами дополнительно расположен второй управляющий участок первого p-слоя, образующий участок пониженного сопротивления для отрицательного тока управления и граничащий с первым дополнительным n-слоем, причем длина границы второго управляющего участка первого p-слояя с первым дополнительным n-слоем не превышает длину границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем и расположены указанные управляющие участки первого p-слоя вдоль оси, проходящей через центр первого дополнительного n-слоя и лежащей в плоскости первой главной поверхности перпендикулярно другой оси на этой же плоскости, проходящей через общую границу первого эмиттерного n-слоя и эмиттерного участка первого p-слоя, а разделительный участок первого p-слоя отделяет также и первый эмиттерный n-слой от первого дополнительного n-слоя.

Длина границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем и длина границы второго управляющего участка p-слоя с первым дополнительным n-слоем равны не менее 0,1 мм и не превышает 80% от общей длины границы первого эмиттерного n-слоя с первым управляющим и разделительным участками первого p-слоя.

Сопротивление растекания первого p-слоя на разделительном участке выше, чем на первом и втором управляющих участках этого p-слоя.

Первый управляющий участок первого p-слоя со стороны управляющего электрода выполнен в виде паза в первом дополнительном n-слое, а второй управляющий участок первого p-слоя со стороны первого основного электрода - в виде зазора во вспомогательном n-слое.

Вдоль границы с вторым управляющим участком первого p-слоя вспомогательный n-слой имеет меньшую ширину, чем вдоль границы с разделительным участком первого p-слоя.

Второй управляющий участок первого p-слоя контактирует с выступом основного электрода, шунтирующим внутреннюю границу вспомогательного n-слоя, расположенную напротив первого дополнительного n-слоя.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
1) Наличие в области вспомогательного n-слоя между первым основным и управляющим электродами второго управляющего участка первого p-слоя, который образует участок пониженного сопротивления для отрицательного тока управления и граничит с первым дополнительным n-слоем, причем длина границы второго управляющего участка первого p-слоя с первым дополнительным n-слоем не превышает длину границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем.

Расположение первого и второго управляющий участков первого p-слоя вдоль оси, которая проходит через центр первого дополнительного n-слоя и лежит в плоскости первой главной поверхности перпендикулярно другой оси на этой же плоскости, проходящей через общую границу первого эмиттерного n-слоя и эмиттерного участка первого p-слоя.

Разделительный участок первого p-слоя отделяет друг от друга первый эмиттерный n-слой от первого дополнительного n-слоя.

2) Длина границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем и длина границы второго управляющего участка первого p-слоя с первым дополнительным n-слоем равны не менее 0,1 мм и не превышают 80% от общей длины границы первого эмиттерного n-слоя с первым управляющим и разделительным участками первого p-слоя.

3) Сопротивление растекания первого p-слоя на разделительном участке выше, чем на первом и втором управляющих участках этого p-слоя.

4) Выполнение первого управляющего участка первого p-слоя со стороны управляющего электрода в виде паза в первом дополнительном n-слое, а второго управляющего участка первого p-слоя со стороны первого основного электрода - в виде зазора во вспомогательном n-слое.

5) Меньшая ширина вспомогательного n-слоя вдоль границы с вторым управляющим участком первого p-слоя, чем вдоль границы с разделительным участком первого p-слоя.

6) Контактирование второго управляющего участка первого p-слоя с выступом первого основного электрода, который шунтирует внутреннюю границу вспомогательного n-слоя, расположенную напротив первого дополнительного n-слоя.

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция ТС с центральным расположением УЭ круглой формы; на фиг. 2 и 3 - виды сверху и снизу, соответственно, на прибор без первого и второго основных и управляющего электродов; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1 прибора; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 1 прибора; на фиг. 6-8 - варианты предлагаемой конструкции ТС с центральным и боковым расположением УЭ некруглой (квадратной и прямоугольной) формы; на фиг. 9 - конструкция ТС с угловым расположением УЭ; на фиг. 10, 11 - варианты исполнения второго управляющего участка первого p-слоя; на фиг. 12 - первого управляющего участка первого p-слоя.

Многослойная полупроводниковая структура симметричного тиристора (фиг. 1-5) включает в себя средний базовый n-слой 2. Сверху к этому слою прилегает первый p-слой 3 (фиг. 4, 5), который содержит эмиттерный 4, (первый) управляющий 5 и разделительный 6 участки, выходящие на первую главную поверхность 7. Снизу к среднему базовому n-слою прилегает второй p-слой 8, содержащий эмиттерный участок 9, выходящий на вторую главную поверхность 10. Первый эмиттерный n-слой 11, первый дополнительный n-слой 12 и вспомогательный n-слой 13 (фиг. 2, 4, 5) образуют p-n-переходы с первым p-слоем 3 и выходят на первую главную поверхность. Второй эмиттерный n-слой 14 и являющийся его продолжением второй дополнительный n-слой 15 образуют p-n-переход с вторым p-слоем 8 и выходят на 2-ю главную поверхность. Первый основной электрод 16 (фиг. 1, 4, 5) находится в омическом контакте с первым эмиттерным 11 и вспомогательным 13 n-слоями и с эмиттерным участком 4 первого p-слоя. Второй основной электрод 17 находится в омическом контакте с вторым эмиттерным 14 и вторым дополнительным 15 n-слоями и с эмиттерным участком 9 второго p-слоя. Управляющий электрод 18 (фиг. 1, 4, 5-12) находится в омическом контакте с первым дополнительным n-слоем 12 и управляющим участком 5 первого n-слоя (фиг. 1, 4-9).

Управляющий участок 5 первого p-слоя образует участок пониженного сопротивления для положительного тока управления между управляющим 18 и первым основным 16 электродами и граничит с первым эмиттерным n-слоем 11 (фиг. 1, 2 и 4).

Вспомогательный n-слой 13 является продолжением первого эмиттерного n-слоя 11 и расположен между эмиттерным участком 4 первого p-слоя и разделительным участком 6 первого p-слоя, который отделяет вспомогательный n-слой от первого дополнительного n-слояя 12 (фиг. 2, 5).

Второй дополнительный n-слой 15 (фиг. 3-5) является продолжением второго эмиттерного n-слоя 14. Условной границей между ними можно считать показанную на фиг. 3 штрих-пунктирной линией Г-Д-Е проекцию на вторую основную поверхность внутренней границы первого основного электрода 16, проходящей по вспомогательному n-слою 13. Проекция второго дополнительного n-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрывается с проекцией на эту же плоскость первого дополнительного n-слоя 12 (фиг. 4, 5). При необходимости размеры 2-го дополнительного n-слоя могут быть такими (показаны пунктиром на фиг. 3-5), что его проекция на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрывается и с проекцией на эту плоскость первого эмиттерного n-слоя 11.

В области вспомогательного n-слоя 13 между первым основным 16 и управляющим 18 электродами дополнительно расположен второй управляющий участок 19 первого p-слоя (фиг. 1, 2, 4), который образует участок пониженного сопротивления для отрицательного тока управления и граничит с первым дополнительным n-слоем 12.

Длина границы второго управляющего участка 19 первого p-слоя с первым дополнительным n-слоем не превышает длину границы первого управляющего участка 5 первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем.

Распложены указанные управляющие участки первого p-слоя вдоль оси А-А (фиг. 1, 2, 6-8), которая проходит через центр первого дополнительного n-слоя 12 и лежит в плоскости первой главной поверхности 7 перпендикулярно к другой оси В-В на этой же плоскости, проходящей через общую границу первого эмиттерного n-слоя 11 и эмиттерного участка 4 первого p-слоя 3.

Разделительный участок 6 первого p-слоя расположен так, что он отделяет друг от друга как вспомогательный n-слой 13 от первого дополнительного n-слоя 12, так и первый эмиттерный n-слой 11 от того же первого дополнительного n-слоя 12 (фиг. 1, 2, 5).

На фиг. 1, 2, 6-9 со стороны УЭ 18 первый управляющий участок 5 выполнен в виде паза в первом дополнительном n-слое 12. Условными границами этого управляющего участка с разделительным участком первого p-слоя можно считать линии, являющиеся продолжением боковых сторон паза в первом дополнительном n-слое. При этом паз может иметь форму, отличную от прямоугольной.

Второй управляющий участок 19 со стороны первого основного электрода 16 выполнен в виде зазора во вспомогательном n-слое 13. Условными границами этого управляющего участка 1-го p-слоя с разделительным участком 6 можно считать линии, которые являются продолжением границ зазора во вспомогательном n-слое.

Управляющие участки первого p-слоя могут иметь и другое исполнение. Например, на фиг. 10 показано исполнение, когда второй управляющий участок первого p-слоя реализован за счет меньшей ширины вспомагательного n-слоя. На фиг. 11 этот участок реализован путем контактирования первого p-слоя с выступом первого основного электрода, шунтирующим внутреннюю границу вспомогательного n-слоя, расположенную напротив первого дополнительного n-слоя. Аналогично, на фиг. 12 показано исполнение, когда первый управляющий участок 5 первого p-слоя реализован за счет контактирования первого p-слоя с выступом первого основного электрода, шунтирующим внутреннюю границу вспомогательного n-слоя, расположенную напротив первого дополнительного n-слоя. Аналогично, на фиг. 12 показано исполнение, когда первый управляющий участок 5 первого p-слоч реализован за счет контактирования первого p-слоя с выступом управляющего электрода 18, шунтирующим границу первого дополнительного n-слоя 12 на участке, расположенном напротив первого эмиттерного n-слоя 11.

Симметричный тиристор работает следующим образом.

При включении ТС в первом квадранте, когда потенциалы на ОЭ2 и УЭ положительны относительно потенциала на ОЭ, положительный ток управления течет по направлению от УЭ к ОЭ1 преимущественно через управляющий участок 1-го p-слоя (фиг. 4). Последний эффективно инжектирует электроны в расположенную под ним область 1-го p-слоя 3. Преобладающая часть этих электронов переходит в область среднего базового n-слоя 2, расположенную под участком 20, вызывая ответную инжекцию дырок из эмиттерного участка 9 второго p-слоя. Первоначальное включение ТС в 1-м квадранте происходит, таким образом, в зоне, содержащей участок 20 первого эмиттерного n-слоя и расположенные под ним участки 1-го p-слоя, базового n-слоя и 2-го p-слоя.

При включении ТС в 3-м квадранте, когда потенциалы на ОЭ2 и УЭ отрицательны относительно потенциала на ОЭ1, отрицательный ток управления течет по направлению от 1-го основного электрода 16 к УЭ 18 через 2-й управляющий участок первого p-слоя и приграничный с ним участок 21 первого дополнительного n-слоя (фиг. 4). Последний эффективно инжектирует электроны в область 1-го p-слоя, расположенную под участком 19. Преобладающая часть этих электронов переходит в область базового n-слоя 2, расположенную под участком 21, вызывая ответную инжекцию туда же дырок из указанного участка 1-го p-слоя. Часть этих дырок переходит из n-базы в область 2-го p-слоя 8, расположенную под участком 21, вызывая ответную инжекцию туда же электронов из второго дополнительного n-слоя 15. Первоначальное включение ТС в 3-м квадранте происходит, таким образом, в зоне, содержащей распоженные под участком 21 первого дополнительного n-слоя участки 1-го p-слоя, базового n-слоя, 2-го p-слоя и 2-го дополнительного n-слоя 15.

При включении ТС в 4-м квадранте, как и при его включении в 3-м квадранте, отрицательный ток управления течет по направлению от 1-го основного электрода 16 к УЭ 18 через 2-й управляющий участок первого p-слоя и приграничный с ним участок 21 первого дополнительного p-слоя (фиг. 4). При этом первоначальное включение ТС в 4-м квадранте происходит в зоне, содержащей участок 21 первого дополнительного n-слоя и расположенные под ним участки 1-го p-слоя, базового n-слоя и 2-го p-слоя.

Когда дополнительный т-слой 15 перекрывает также и проекцию на него участка 20 первого эмиттерного n-слоя, как показано пунктиром на фиг. 4 и 5, ТС становится способным включаться и во 2-м квадранте. При этом, как и при включении в 1-м квадранте, положительный ток управления течет по направлению от УЭ к 1-му основному электроду через 1-й управляющий участок первого p-слоя и приграничный с ним участок 20 первого эмиттерного n-слоя (фиг. 4). Первоначальное включение ТС во 2-м квадранте, как и в 1-м, происходит, таким образом, в зоне, содержащей расположенные под участком 20 первого эмиттерного n-слоя участки 1-го p-слоя, базового n-слоя, 2-го p-слоя и дополнительного n-слоя 15.

Ширина участков 20 и 21 в направлении, нормальном к границам, соответственно, 1-го эмиттерного и 1-го дополнительного n-слоев (между штрих-пунктирными линиями на фиг. 4), согласно [3] примерно равна 0,3-0,5 мм, а их длины равны, соответственно, длине границ 1-го эмиттерного n-слоя с 1-м управляющим участком и длине границы 1-го дополнительного n-слоя с 2-м управляющим участком первого p-слоя.

Размещение разделительного участка первого p-слоя не только между вспомогательным и первым дополнительным n-слоями, но также и между первым эмиттерным и первым дополнительным n-слоями приводит к двум положительным эффектам. Во-первых, уменьшается длина границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем. Поскольку включение ТС вдоль этой границы происходит при определенном конкретном значении линейной плотности положительного тока управления, то с уменьшением ее длины требуется меньший ток управления для включения ТС. Во-вторых, несколько увеличивается протяженность (длина) разделительного участка первого p-слоя. Это приводит к соответствующему повышению сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1 и тем самым к уменьшению паразитной составляющей положительного тока управления. И то и другое способствует уменьшению тока I_Gt при включении ТС в 1-м квадранте (а при наличии перекрытия проекций первого эмиттерного и второго дополнительного n-слоев - и при включении ТС во 2-м квадранте).

Второй управляющий участок 1-го p-слоя, как уже указывалось, позволяет фокусировать отрицательный ток управления, направляя его от ОЭ1 к УЭ преимущественно через приграничный участок 1-го дополнительного n-слоя. Однако значение отрицательного тока I_Gt, которое требуется для включения ТС в 3-м квадранте, зависит не только от длины границы 2-го управляющего участка с 1-м дополнительным n-слоем, но и от размеров перекрытия 2-м дополнительным n-слоем 15 во всех направлениях границ проекции на него участка 21 первого дополнительного n-слоя 12 (фиг. 4).

С увеличением размеров этого перекрытия уменьшается доля дырок, инжектированных 1-м p-слоем 3 и достигших 2-го p-слояя 8, которая обтекает 2-й дополнительный n-слой и рекомбинирует непосредственно на контакте 2-го p-слоя с 2-м основным электродом 17, не вызывая ответной инвжекции электронов на 2-го дополнительного n-слоя. При этом возрастает эффективность воздействия отрицательного тока управления и, соответственно, уменьшаются значения I_Gt при включении ТС в 3-м квадранте.

Но если второй дополнительный n-слой 15 перекрывает во всех направлениях границы проекции на него участка 21 первого дополнительного n-слоя 12 на величину, не меньшую толщины структуры, дальнейшее увеличение его размеров вызывает только слабое уменьшение значений тока I_Gt. В этом случае для включения ТС в 3-м квадранте требуется примерно такая же линейная плотность тока управления, как и для включения в 1-м квадранте. При этом примерное равенство значений тока I_Gt при включении ТС в 1-м, 3-м и 4-м квадрантах обеспечивается, если длина границы 2-го управляющего участка 1-го p- слоя с 1-м дополнительным n-слоем не превышает длину границы 1-го управляющего участка 12-го p-слоя с первым эмиттерным n-слоем. Когда выполнено последнее условие, а 2-й дополнительный n-слой перекрывает во всех направлениях также и границы проекции на него участка 20 первого эмиттерного n-слоя на величину, не меньшую толщины структуры, то обеспечивается примерное равенство значений тока I_Gt при включении ТС во всех четырех квадрантах.

Расположение первого и второго управляющих участков первого p-слоя вдоль оси А-А (фиг. 1, 2, 6-8), проходящей через центр первого дополнительного n-слоя 12 и лежащей в плоскости 1-й главной поверхности перпендикулярно другой оси В-В на этой же плоскости, проходящей через общую границу 1-го эмиттерного n-слоя 11 и эмиттерного участка 4 первого p-слоя 3 позволяет в максимально возможной мере отдалить управляющие участки 1-го p-слоя друг от друга. При этом в случае центрального расположения УЭ (фиг. 1, 6, 7), 1-й и 2-й управляющие участки должны быть симметричны относительно оси А-А. А при боковом расположении УЭ (фиг. 8), 1-й и 2-й управляющие участки могут располагаться ближе к периферии, т.е. асимметрично относительно оси А-А. Это повышает значение сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1. При этом уменьшается паразитная часть тока управления, которая протекает от УЭ к ОЭ1 или, наоборот, от ОЭ1 к УЭ непосредственно по первому p-слою, не вызывая инжекции электронов из участка 20 первого эмиттерного n-слоя. Это способствует уменьшению значений I_Gt при включении ТС. Ради этой же цели в случае, когда 1-й управляющий участок 5 первого p-слоя со стороны УЭ выполнен в виде паза в 1-м дополнительном n-слое 12 (фиг. 1, 2, 6-9) протяженность этого паза вдоль оси А-А- следует выбирать по возможности короткой.

Длина границ 1-го и 2-го управляющих участков первого p-слоя, соответственно, с 1-м эмиттерным и 1-м дополнительным n-слоями определяет, как уже отмечалось выше, длину участков 20 и 21 первого эмиттерного n-слоя 11 и 1-го дополнительного n-слоя 12 (фиг. 4, 5), эффективно инжектирующих электроны под воздействием токов управления, и тем самым определяет площадь зон первоначального включения ТС. С уменьшением длины указанных границ уменьшается площадь зон первоначального включения ТС и тем самым падает стойкость прибора к эффекту di/dt. Поэтому снизу длину этих границ следует ограничить значением не менее 0,1 мм (при этом критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии равна примерно 10 А/мкс). С увеличением же длины этих границ свыше 80% от общей длины границы 1-го эмиттерного n-слоя с управляющим и разделительным участками 1-го p-слоя теряется эффект фокусировки токов управления и не наблюдается заметного уменьшения значений I_Gt при включении ТС.

Более высокое значение сопротивления растекания первого h-слоя 3 на разделительном участке 6 (фиг. 1, 2 и 5-12), чем на 1-м и 2-м управляющих участках этого слоя, также повышает значение сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1. Это тоже способствует уменьшению значений I_Gt при включении ТС во всех квадрантах.

При центральном расположении УЭ некруглой формы (фиг. 6 и 7) более предпочтительной является ориентация 1-го дополнительного n-слоя, изображенная на фиг. 7, так как в этом случае при одинаковых размерах этого слоя, во-первых, расстояние между 1-м и 2-м управляющими участками 1-го p-слоя больше и, во-вторых, длина общей границы между 1-м эмиттерным n-слоем и эмиттерным участком 1-го p-слоя меньше, чем в случае, изображенном на фиг. 6. Первое способствует увеличению значения R_П и, следовательно, уменьшению значений I_Gt, а второе - уменьшению потерь активной площади структуры в случае, если проекции общих границ 1-го эмиттерного n-слоя с эммитерным участком 1-го p-слоя и 2-го эмиттерного n-слоя с эмиттерным участком 2-го p-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, не перекрываются (разнесены на определенное расстояние с целью повышения критической скорости нарастания коммутационного напряжения при выключении ТС).

Конструкция ТС с угловым расположением УЭ (фиг. 9) не позволяет разместить управляющие участки 1-го p-слоя вдоль оси, перпендикулярной к другой оси, которая проходит через общую границу 1-го эмиттерного n-слоя и эмиттерного участка первого p-слоя. Кроме того, длина общей границы между 1-м эмиттерным n-слоем и эмиттерным участком 1-го p-слоя больше, чем при центральном и боковом расположении УЭ. Это ведет к увеличению потерь активной площади при разнесении проекций общих границ 1-го эмиттерного n-слоя с эмиттерным участком 1-го p-слоя и 2-го эмиттерного n-слоя с эмиттерным участком 2-го p-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов. Тем не менее такая конструкция ТС иногда используется на практике. В таком случае следует располагать управляющие участки 1-го p-слоя как можно ближе к краям структуры.

Пример конкретного исполнения ТС предлагаемой конструкции. В качестве базы для сравнения взят серийно выпускаемый на ЗПО "Преобразователь" ТС (триак) типа ТС106-16 на предельный (действующий) ток 16 А и повторяющиеся напряжения до 800 В включительно. Полупроводниковая структура прибора ТС106-16 имеет размеры 4,6 х 4,6 мм и толщину около 300 - 320 мкм. Удельное сопротивление исходного кремния составляет 30-35 Ом•см. Толщина центрального базового n-слоя равна 170-190 мкм, толщины эмиттерных участков 1-го и 2-го p-слоев равны 65 - 70 мкм, а толщины обоих эмиттерных, обоих дополнительных и вспомогательного n-слоев с эмиттерными участками, соответственно, 1-го и 2-го p-слоев разнесены на 0,6 мм. Проекции 1-го эмиттерного n-слоя и 2-го дополнительного n-слоя также не перекрываются. Поэтому данный прибор не включается током управления во 2-м квадранте. Вспомогательный n-слой отсутствует.

ТС типа ТС106-16 имеет УЭ круглой формы, расположенный на первой главной поверхности в центре структуры. Диаметр УЭ равен 0,9 мм. Первый дополнительный n-слой имеет кольцевую форму с внешним диаметром 1,18 мм и внутренним диаметром 0,3 мм и содержит вырез в форме сектора с углом 90^o, расположенный напротив 1-го эмиттерного n-слоя. 2-й дополнительный n-слой. являющийся продолжением 2-го эмиттерного n-слоя тоже имеет кольцевую форму с внешним диаметром 1,25 мм и внутренним диаметром 0,6 мм и также содержит вырез в форме сектора с углом 90^o, расположенным под соответствующим вырезом в 1-м дополнительном n-слое. Диаметр внутренней границы 1-го эмиттерного n-слоя, расположенной напротив УЭ, равен 1,42 мм. Сопротивление растекания R_sp 1-го p-слоя на участках, отхватывающих 1-й дополнительный n-слой, равно 12-18 Ом/□ .

Из приведенных данных следует, что приборы ТС106-16 практически содержат 1-й управляющий участок 1-го p-слоя и разделительный участок этого слоя, расположенный между 1-м дополнительным и 1-м эмиттерным n-слоями. Это способствует уменьшению значений токов I_Gt при их включении в 1-м квадранте. Однако из-за отсутствия вспомогательного n-слоя значение сопротивления паразитного резистора R_П между УЭ и ОЭ1 с учетом протекания тока только через разделительный участок первого p-слоя при указанных значениях Rsp составляют всего примерно 22-23 Ом. Кроме этого, 2-й дополнительный n-слой только на небольшом участке перекрывает границы проекции на него участка 1-го дополнительного n-слоя, эффективно инжектирующего электроны под воздействием отрицательного тока управления, на величину, большую толщины структуры.

В результате фактические значения I_Gt для ТС106-16 равны примерно 12-16 мА, 30-40 мА и 15-20 мА при включении, соответственно, в 1-м, 3-м и 4-м квадрантах. При этом для одного и того же прибора отношение значений тока I_Gt при его включении в 3-м и 4-м квадрантах к значению тока I_Gt при включении в 1-м квадранте может достигать, соответственно, 3 и 1,5.

Полупроводниковая структура ТС предлагаемой конструкции имела практически те же значения конструктивных параметров за следующим исключением:
- 1-й дополнительный n-слой содержал паз 5 (фиг. 2) шириной 0,6 и глубиной 0,3 мм;
- структура имела вспомогательный n-слой 13 (фиг. 2) шириной 0,3 мм, которая содержала зазор 19 шириной 0,6 мм;
- 2-й дополнительный n-слой 15 имел форму, аналогичную, показанной на фиг. 3 сплошной линией, с радиусом выступа влево от вертикальной оси симметрии, равным 0,3 мм.

Последнее обеспечивало перекрытие 2-м дополнительным n-слоем границ проекции на него участке 21 (фиг. 4) 1-го дополнительного n-слоя во всех направлениях на величину, не меньшую толщины структуры. Проекции 1-го эмиттерного n-слоя и 2-го дополнительного n-слоя не перекрывались.

Значения I_Gt для ТС предложенной конструкции составляли примерно 4-6 мА при их включении в любом из трех квадрантов (в 1-м, 3-м и 3-м). При этом разброс значений I_Gt для одного и того же прибора при его включении в указанных трех квадрантах не превышал 10-20%.

Таким образом, предложенная конструкция ТС позволила резко уменьшить значения I_Gt (примерно от 3 до 7-8 раз) и значительно снизить асимметрию в значениях I_Gt (от 3 и 1,5 до 1,2).

Низкие значения I_Gt и примерное их равенство при включении ТС предложенной конструкции в разных квадрантах позволяет существенно упростить блоки управления этими приборами и на 20-30% снизить их стоимость и габариты.

Источники информации:
1. Патент Великобритании N 1301193, кл. H 1 K, 1972.

2. Патент ФРГ N 2261819, кл. H 01 L 29/747, 1982/
3. Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова Н.Н. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1980.

Claims (6)

1. Симметричный тиристор, содержащий многослойную полупроводниковую структуру с чередующимися слоями различного типа элекропроводности и с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных ее сторонах, включающую в себя средний базовый n-слой, первый p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою сверху и содержащий эмиттерный, управляющий и разделительный участки, выходящие на первую главную поверхность, второй p-слой, прилегающий к среднему базовому n-слою снизу и содержащий эмиттерный участок, выходящий на вторую главную поверхность, первый эмиттерный n-слой, первый дополнительный n-слой и вспомогательный n-слой, образующие p-n-переходы с первым p-слоем и выходящие на первую главную поверхность, второй эмиттерный n-слой и являющийся его продолжением второй дополнительный n-слой, образующие p-n-переход с вторым p-слоем и выходящие на вторую главную поверхность, первый основной электрод, находящийся в омическом контакте с первым эмиттерным и вспомогательным n-слоями и с эмиттерным участком первого p-слоя, второй основной электрод, находящийся в омическом контакте с вторым эмиттерным и вторым дополнительным n-слоями и с эмиттерным участком второго p-слоя, и управляющий электрод, находящийся в омическом контакте с первым дополнительным n-слоем и управляющим участком первого p-слоя, образующим участок пониженного сопротивления для положительного тока управления между управляющим и первым основным электродами и граничащим с первым эмиттерным n-слоем, при этом вспомогательный n-слой, являющийся продолжением первого эмиттерного n-слоя, расположен между эмиттерным участком первого p-слоя и разделительным участком первого p-слоя, отделяющим вспомогательный n-слой от первого дополнительного n-слоя, а проекция второго дополнительного n-слоя на плоскость, параллельную плоскостям p-n-переходов, перекрывается с проекцией на эту же плоскость первого дополнительного n-слоя, отличающийся тем, что в области вспомогательного n-слоя между первым основным и управляющим электродами дополнительно расположен второй управляющий участок первого p-слоя, образующий участок пониженного сопротивления для отрицательного тока управления и граничащий с первым дополнительным n-слоем, при этом длина границы второго управляющего участка первого p-слоя с первым дополнительным n-слоем не превышает длину границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем и расположены указанные управляющие участки первого p-слоя вдоль оси, проходящей через центр первого дополнительного n-слоя и лежащей в плоскости первой главной поверхности перпендикулярно другой оси на этой же плоскости, проходящей через общую границу первого эмиттерного n-слоя и эмиттерного участка первого p-слоя, а разделительный участок первого p-слоя отделяет также и первый эмиттерный n-слой от первого дополнительного n-слоя.

2. Тиристор по п.1, отличающийся тем, что длина границы первого управляющего участка первого p-слоя с первым эмиттерным n-слоем и длина границы второго управляющего участка первого p-слоя с первым дополнительным n-слоем равны не менее 0,1 мм и не превышают 80% от общей длины границы первого эмиттерного n-слоя с первым управляющим и разделительным участками первого p-слоя.

3. Тиристор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сопротивление растекания первого p-слоя на разделительном участке выше, чем на первом и втором управляющих участках этого p-слоя.

4. Тиристор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что первый управляющий участок первого p-слоя со стороны управляющего электрода выполнен в виде паза в первом дополнительном n-слое, а второй управляющий участок первого p-слоя со стороны первого основного электрода - в виде зазора во вспомогательном n-слое.

5. Тиристор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что вдоль границы с вторым управляющим участком первого p-слоя вспомогательный n-слой имеет меньшую ширину, чем вдоль границы с разделительным участком первого p-слоя.

6. Тиристор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что второй управляющий участок первого p-слоя контактирует с выступом первого основного электрода, шунтирующим внутреннюю границу вспомогательного n-слоя, расположенную напротив первого дополнительного n-слоя.

Images