RU2335824C1 - Lockable thyristor and method of its operation - Google Patents
Lockable thyristor and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2335824C1 RU2335824C1 RU2007106487/28A RU2007106487A RU2335824C1 RU 2335824 C1 RU2335824 C1 RU 2335824C1 RU 2007106487/28 A RU2007106487/28 A RU 2007106487/28A RU 2007106487 A RU2007106487 A RU 2007106487A RU 2335824 C1 RU2335824 C1 RU 2335824C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- junction
- layer
- collector
- emitter
- silicon
- Prior art date
Links
Landscapes
- Thyristors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов, конкретно к кремниевым запираемым тиристорам, и может быть использовано для создания элементной базы преобразовательных устройств.The invention relates to the field of powerful semiconductor devices, specifically to silicon lockable thyristors, and can be used to create an element base of converter devices.
Полупроводниковые приборы, используемые в качестве ключевых элементов схем преобразовательных устройств, в общем случае, должны обладать следующими свойствами:Semiconductor devices used as key elements of circuits of converting devices, in general, should have the following properties:
- блокировать заданное (как правило, высокое) напряжение в прямом и обратном направлении с пренебрежимо малыми токами утечки в выключенном состоянии;- block the specified (usually high) voltage in the forward and reverse directions with negligible leakage currents in the off state;
- пропускать большие токи с минимальными коммутационными и статическими потерями;- pass large currents with minimal switching and static losses;
- переключаться (включаться и выключаться) с максимально высокими скоростями.- switch (turn on and off) with the highest possible speeds.
Конструкцию, сочетающую в себе одновременно все вышеперечисленные признаки, в настоящее время создать практически невозможно, однако существует выбор определенных соотношений между перечисленными параметрами.At the present time, it is practically impossible to create a design that combines all of the above features simultaneously, however, there is a choice of certain relations between the listed parameters.
Полупроводниковые структуры кремниевых запираемых тиристоров обычно создаются путем термодиффузии в исходную пластину монокристаллического кремния через ее поверхности специальных примесей, создающих слои р-типа проводимости (введение бора и алюминия) и n-типа проводимости (введение фосфора). Граница между этими слоями, называемая pn- (или np-) переходом, имеет глубину залегания в пластине, отсчитываемую от той поверхности, через которую проводилась диффузия примеси.The semiconductor structures of silicon lockable thyristors are usually created by thermal diffusion of special impurities into its initial wafer of single-crystal silicon through its surface, creating p-type conductivity layers (introduction of boron and aluminum) and n-type conductivity (introduction of phosphorus). The boundary between these layers, called the pn- (or np-) junction, has a depth in the plate, measured from the surface through which the diffusion of the impurity was carried out.
Известен запираемый тиристор (ЗТ) на основе кремниевой структуры n+p'Nn'p+-типа / A.Weber, N.Galster, E.Tsyplakov «A New Generation of Asymmetric and Reverse Conducting GTOs and their Snubber Diodes» PCIM97 Nurnberg, Power Conversion, June 1997 Proceedings/, содержащий n+p'-управляющий переход, где в широкую N-базу со стороны, противоположной узкой p'-базе, введен тонкий буферный n'-слой с повышенной концентрацией легирующей примеси (1016÷1018) см-3. Этот слой ограничивает расширение области объемного заряда (ООЗ) коллекторного p'N-перехода с ростом блокируемого напряжения, что позволяет уменьшить толщину N-базы до величины, примерно равной ширине ООЗ коллекторного перехода при максимальном напряжении на приборе и соответственно уменьшить остаточное напряжение во включенном состоянии.Known lockable thyristor (ST) based on the silicon structure n + p'Nn'p + -type / A.Weber, N. Galster, E.Tsyplakov "A New Generation of Asymmetric and Reverse Conducting GTOs and their Snubber Diodes" PCIM97 Nurnberg, Power Conversion, June 1997 Proceedings /, containing an n + p'-control transition, where a thin buffer n'-layer with an increased concentration of dopant is introduced into the wide N-base from the side opposite to the narrow p'-base (10 16 ÷ 10 18 ) cm -3 . This layer limits the expansion of the space charge region (OOZ) of the collector p'N junction with an increase in the blocked voltage, which makes it possible to reduce the thickness of the N base to a value approximately equal to the OOZ width of the collector junction at the maximum voltage on the device and, accordingly, reduce the residual voltage in the on state .
В невключенном состоянии внешнее напряжение (минус на n+-эмиттере) в силовой цепи блокируется обратносмещенным коллекторным p'N-переходом. Для включения этого прибора в цепи управления пропускается импульс тока в проводящем направлении n+p'-перехода. Электроны, инжектируемые из n+-слоя, диффундируют через р′-слой в область объемного заряда (ООЗ) обратносмещенного р′N-перехода (коллектора), выбрасываются электрическим полем в квазинейтральную часть N-слоя, проходят диффузией n'-слой к р+N-переходу, понижают его потенциальный барьер и вызывают встречную инжекцию дырок из р+-слоя, инициируя тем самым включение прибора. Для выключения этого прибора через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для n+p'-перехода (плюс на n+-слое). При этом прекращается инжекция электронов из n+-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из р'-слоя и приколлекторной части N-слоя, р'N-переход смещается в запорном направлении, и прибор выключается.In the unconnected state, the external voltage (minus at the n + emitter) in the power circuit is blocked by the reverse biased collector p'N junction. To turn on this device, a current pulse is passed in the control circuit in the conducting direction of the n + p'-junction. The electrons injected from the n + layer diffuse through the p′-layer to the space charge region (SCO) of the reverse biased p′N junction (collector), are emitted by the electric field into the quasineutral part of the N-layer, and the diffusion of the n'-layer to p + N-junction, lower its potential barrier and cause counter injection of holes from the p + -layer, thereby initiating the inclusion of the device. To turn off this device, a current pulse is passed through the control circuit in the direction shut off for the n + p'-junction (plus to the n + -layer). In this case, the injection of electrons from the n + layer stops, the electron – hole plasma is removed from the p′-layer and the collector part of the N layer, the p'N junction is displaced in the shut-off direction, and the device turns off.
В этом устройстве высоки коммутационные потери, а рабочая частота - невысока, что является недостатком такой структуры.In this device, switching losses are high, and the operating frequency is low, which is a drawback of such a structure.
Известен запираемый тиристор /патент Японии № 6061477/, взятый за прототип предлагаемого технического решения, также содержащий кремниевую n+p'Nn'p+-структуру (в прототипе это обозначено как структура NpN-N+p-типа). Каждая тиристорная ячейка содержит управляющий n+р'-эмиттер (Np), расположенный в p'-базовом слое (р), коллекторный р'N-переход (pN-) с буферным n'-слоем (N+) в широкой N-базе (N-) со стороны р+-эмиттера (р). Краевой контур выполнен в виде позитивной фаски, предохраняющей структуру от поверхностного пробоя при больших импульсных перенапряжениях. Нижний р+-эмиттерный слой (р) окружен кольцевым N-слоем, который шунтирует эмиттерный слой. Благодаря этому ток поверхностной утечки коллекторного p'N-перехода (pN-) уходит в металлический контакт, не приводя к инжекции дырок из эмиттерного слоя. Это повышает рабочее напряжение и рабочую температуру прибора. Структура расположена на металлическом термокомпенсаторе.Known lockable thyristor / Japan patent No. 6061477 /, taken as a prototype of the proposed technical solution, also containing silicon n + p'Nn'p + structure (in the prototype this is indicated as the structure of NpN - N + p-type). Each thyristor cell contains a control n + p'-emitter (Np) located in the p'-base layer (p), a collector p'N junction (pN - ) with a buffer n'-layer (N + ) in a wide N- base (N - ) from the side of the p + emitter (p). The edge contour is made in the form of a positive chamfer, which protects the structure from surface breakdown at high pulsed overvoltages. The lower p + emitter layer (p) is surrounded by an annular N-layer that shunts the emitter layer. Due to this, the surface leakage current of the collector p'N junction (pN - ) goes into the metal contact without leading to injection of holes from the emitter layer. This increases the operating voltage and operating temperature of the device. The structure is located on a metal temperature compensator.
Устройство работает таким образом.The device works this way.
Когда прибор выключен, внешнее напряжение (минус на N-эмиттере) в силовой цепи блокируется обратносмещенным коллекторным pN--переходом. Для включения прибора в цепи управления пропускается импульс тока в проводящем направлении для Np-перехода. Электроны, инжектируемые из N-слоя, диффундируют через р-слой в область объемного заряда (ООЗ) обратносмещенного pN--перехода (коллектора), выбрасываются электрическим полем в квазинейтральную часть N-N+-слоя, понижают потенциальный барьер эмиттерного pN+-перехода и вызывают встречную инжекцию дырок из р-слоя. Эти дырки диффундируют через N+-слой, затем в режиме биполярного дрейфа проходят квазинейтраль N-слоя и выбрасываются полем ООЗ в р-базу, вызывая встречную инжекцию электронов из N-слоя и т.д. Когда потери носителей из-за рекомбинации и ухода через потенциальные барьеры эмиттеров становятся меньше, чем поступление носителей в базовые слои вследствие инжекции, структура переходит в устойчивое проводящее состояние. В этом состоянии базовые слои р и N- заполнены хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой, и через прибор протекает силовой ток.When the device is turned off, the external voltage (minus N-emitter) in the power circuit locks a reverse collector pN - junction. To enable the device in the control circuit, a current pulse is passed in the conducting direction for the Np junction. Electrons injected from the N layer diffuse through the p layer into the space charge region (SCO) of the reverse biased pN - junction (collector), are emitted by the electric field into the quasineutral part of the N - N + layer, and lower the potential barrier of the emitter pN + junction and cause counter injection of holes from the p-layer. These holes diffuse through the N + layer, then in the bipolar drift mode they pass through the quasineutral of the N layer and are ejected by the SCR field into the p base, causing counter injection of electrons from the N layer, etc. When the carrier loss due to recombination and escape through the potential barriers of the emitters becomes smaller than the carrier entry into the base layers due to injection, the structure goes into a stable conducting state. In this state, the base layers p and N are filled with a well-conducting electron-hole plasma, and a power current flows through the device.
Для выключения устройства через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для Np-перехода (плюс на N-слое). При этом прекращается инжекция электронов из N-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из р-слоя и приколлекторной части N--слоя, pN--переход смещается в запорном направлении, и ток через прибор резко уменьшается. Однако остающаяся в N-N+-слое электронно-дырочная плазма является источником дырок, и через прибор протекает медленно спадающий «хвост» дырочного тока, который прекращается после рекомбинации всех избыточных электронов в N-N+-слое. Время включения определяется длительностью диффузии электронов через р-базу и временем биполярного дрейфа электронно-дырочной плазмы через N--базу, что в сумме составляет примерно (500÷700) наносекунд, а величина времени выключения определяется величиной времени жизни избыточных носителей в N--базе и составляет (10÷15) микросекунд, при этом в течение значительного времени «хвост» дырочного тока протекает при нарастающем напряжении на приборе. Из-за этого коммутационные потери в приборе при выключении очень велики и поэтому предельная рабочая частота не превышает (5÷10) кГц.To turn off the device, a current pulse is passed through the control circuit in the direction shut off for the Np junction (plus on the N layer). In this case, the injection of electrons from the N-layer is stopped, the electron-hole plasma is removed from the p-layer and the collector part of the N - layer, the pN - junction is displaced in the shutoff direction, and the current through the device decreases sharply. However, the electron-hole plasma remaining in the N - N + layer is a source of holes, and a slowly falling "tail" of the hole current flows through the device, which ceases after recombination of all excess electrons in the N - N + layer. The on-time is determined by the duration of electron diffusion through the p-base and the time of bipolar drift of the electron-hole plasma through the N - base, which in total is approximately (500 ÷ 700) nanoseconds, and the turn-off time is determined by the lifetime of excess carriers in N - - base and is (10 ÷ 15) microseconds, while for a considerable time the “tail” of the hole current flows with increasing voltage on the device. Because of this, switching losses in the device during shutdown are very large and therefore the maximum operating frequency does not exceed (5 ÷ 10) kHz.
Недостатками этой структуры являются большие коммутационные потери, и значит невысокая рабочая частота, т.к. в этом приборе элементарные ячейки управляющего Np-эмиттера расположены в р-базовом слое, вследствие чего характер протекания процессов включения и выключения приводит к их большой длительности.The disadvantages of this structure are large switching losses, which means a low operating frequency, because in this device, the unit cells of the controlling Np emitter are located in the p-base layer, as a result of which the nature of the on and off processes leads to their long duration.
Группа изобретений - устройство и способ его работы, объединенная единым изобретательским замыслом, позволяет решить задачу увеличения рабочей частоты запираемого тиристора за счет уменьшения коммутационных потерь вследствие сокращения времени его включения и выключения.The group of inventions - a device and method of its operation, united by a single inventive concept, allows us to solve the problem of increasing the operating frequency of a lockable thyristor by reducing switching losses due to a reduction in its on and off time.
Задача решается запираемым тиристором, содержащим по-меньшей мере один кремниевый чип, состоящий из множества электрически соединенных параллельно p+n'Np'n+-ячеек, включающих управляющий эмиттерный переход, выполненный в виде р+n'-перехода в тонком n'-буферном слое, введенном в широкую N-базу, в которую введены электронные ловушки с концентрацией (5·1010÷5·1012) см-3, энергетический уровень которых расположен в середине запрещенной зоны кремния, узкую p'-базу, коллекторный p'N-переход, выполненный путем диффузии с поверхностной концентрацией алюминия (1016÷1017) см-3 и расположенный на глубине (50÷120) мкм, и неуправляемый эмиттерный n+p'-переход.The problem is solved by a lockable thyristor containing at least one silicon chip, consisting of many p + n'Np'n + cells electrically connected in parallel, including a control emitter junction made in the form of a p + n'junction in a thin n'- a buffer layer introduced into a wide N base into which electron traps with a concentration of (5 · 10 10 ÷ 5 · 10 12 ) cm -3 are introduced, the energy level of which is located in the middle of the silicon band gap, a narrow p'-base, collector p 'N-junction made by diffusion with a surface concentration of al luminium (10 16 ÷ 10 17 ) cm -3 and located at a depth of (50 ÷ 120) microns, and uncontrolled emitter n + p'-junction.
В запираемом тиристоре краевой контур может быть выполнен в виде позитивной фаски.In a lockable thyristor, the edge contour can be made in the form of a positive chamfer.
Задача решается также способом работы p+n'Np'n+-запираемого кремниевого тиристора, содержащим включение устройства путем пропускания в силовой цепи импульса перенапряжения в запорном для коллекторного p'N-перехода направлении со скоростью нарастания не менее 1.0 кВ/нс и выключение его пропусканием через управляющую цепь импульса тока в направлении, запорном для управляющего эмиттерного р+n'-перехода.The problem is also solved by the method of operation of a p + n'Np'n + -locked silicon thyristor, comprising turning on the device by passing an overvoltage pulse in the power circuit in the direction that is shut off for the collector p'N junction with a rise rate of at least 1.0 kV / ns and turning it off passing a current pulse through the control circuit in the direction shut off for the controlling emitter p + n'-junction.
Изобретение как устройство обеспечивает новый характер процессов перемещения носителей в предлагаемом устройстве при его включении и выключении, что обусловлено новой р+n'Np'n+-структурой с расположением управляющего эмиттерного р+n'-перехода в n'-буферном слое, определенным выполнением и расположением коллекторного р'N-перехода и наличием электронных ловушек (атомов глубоких примесей или дефектов, способных захватить электрон / Sah С.Т., Noyce R.N., Shockly W.Carrier Generation and Recombination in pn junction characteristics Proc. IRE, 45, p.1228 (1975)/) с определенной концентрацией и энергией, в N-слое, что позволяет существенно снизить коммутационные потери и увеличить рабочую частоту запираемого тиристора.The invention as a device provides a new nature of the processes of moving media in the proposed device when it is turned on and off, due to the new p + n'Np'n + structure with the location of the controlling emitter p + n'-junction in the n'-buffer layer, defined by and the location of the collector p'N junction and the presence of electron traps (atoms of deep impurities or defects capable of capturing an electron / Sah C.T., Noyce RN, Shockly W. Carrier Generation and Recombination in pn junction characteristics Proc. IRE, 45, p .1228 (1975) /) with a certain concentration and energy s, a N-layer, which can significantly reduce the switching losses and increase the operating frequency turn-off thyristor.
Краевой контур структуры может быть выполнен в виде позитивной фаски, что предохраняет структуру от поверхностного пробоя при больших импульсных перенапряжениях.The boundary contour of the structure can be made in the form of a positive chamfer, which protects the structure from surface breakdown at high pulse overvoltages.
Изобретение как способ работы предлагаемого устройства, который содержит включение его путем пропускания в силовой цепи импульса перенапряжения (т.е. напряжения, превышающего пробивное напряжение коллекторного перехода, измеренное в условиях медленного повышения напряжения) в запорном для коллекторного p'N-перехода направлении, со скоростью нарастания не менее 1.0 кВ/нс (1012 В/с), обеспечивает возможность туннельно-термической ионизации глубоких электронных ловушек и формирования ударно-ионизационного фронта, имеющего более высокую скорость движения, чем скорость движения электронов в кремнии, что приводит к существенному уменьшению времени включения и, следовательно, к уменьшению коммутационных потерь в приборе, а при выключении обеспечивается возможность вывода импульсом тока управления электронно-дырочной плазмы из n'-слоя, введенного в N-слой, и затем из N-слоя, что приводит к резкому (быстрому) выключению тока и также к уменьшению коммутационных потерь.The invention as a method of operation of the proposed device, which comprises turning it on by transmitting an overvoltage pulse (i.e., a voltage exceeding the breakdown voltage of the collector junction, measured under conditions of a slow increase in voltage) in the direction that is shut off for the collector p'N junction, with slew rate of at least 1.0 kV / ns (10 12 V / s), enables the tunnel-thermal ionization deep electron traps and formation of shock-ionization front having a higher MSE motion velocity than the speed of motion of electrons in silicon, which leads to a significant reduction in the on time and, consequently, to a decrease in switching losses in the device, and when turned off, it is possible to output a control electron-hole plasma from an n'-layer introduced into N -layer, and then from the N-layer, which leads to a sharp (fast) turn-off of the current and also to a decrease in switching losses.
Минимальная глубина расположения коллекторного p'N-перехода от поверхности кремниевой пластины, через которую производится диффузия Al (50 мкм), и максимальная поверхностная концентрация алюминия (1017 см-3), как показали эксперименты, определяются максимально допустимой величиной градиента концентрации примеси, выше которой запуск ударно-ионизационного фронта становится невозможным. Минимально допустимая концентрация алюминия (1016 см-3) обусловлена тем, что ниже этой концентрации фронт диффузии имеет резкие изломы, что приводит к снижению предельной величины блокируемого напряжения из-за резкого искажения поля на неоднородностях границы. Максимальная глубина p'N-перехода (120 мкм) ограничивается приемлемой длительностью технологического процесса диффузии (не более суток).The minimum depth of the collector p'N junction from the surface of the silicon wafer through which Al diffusion (50 μm) and the maximum surface aluminum concentration (10 17 cm -3 ), as shown by experiments, are determined by the maximum admissible impurity concentration gradient, higher where the launch of the shock-ionization front becomes impossible. The minimum allowable concentration of aluminum (10 16 cm -3 ) is due to the fact that below this concentration the diffusion front has sharp bends, which leads to a decrease in the limit value of the blocked voltage due to sharp field distortion at the boundary inhomogeneities. The maximum depth of the p'N junction (120 μm) is limited by the acceptable duration of the diffusion process (no more than a day).
Расположение энергетического уровня электронных ловушек в середине запрещенной зоны кремния обусловлено требованием обеспечения достаточно высокой концентрации захваченных на ловушки электронов в рабочем диапазоне температур кремниевых приборов (-40÷+70)°С, что необходимо для однородного по площади возбуждения ударно-ионизационного фронта.The energy level of the electron traps in the middle of the silicon band gap is due to the requirement to ensure a sufficiently high concentration of electrons trapped in the traps in the working temperature range of silicon devices (-40 ÷ + 70) ° С, which is necessary for a shock-ionization front that is uniform in area of excitation.
Диапазон допустимых концентраций глубоких электронных ловушек был определен экспериментально. При их концентрации <5·1010 см-3 вместо однородного по площади ионизационного фронта возбуждалось ограниченное число узких стриммерных каналов, и допустимая амплитуда коммутируемого тока резко уменьшалась, а при концентрации >5·1012 см-3 возникал обычный лавинный пробой, и скорость включения резко уменьшалась.The range of permissible concentrations of deep electron traps was determined experimentally. At their concentration <5 · 10 10 cm -3, instead of a uniformly ionized front over the area, a limited number of narrow streamer channels were excited, and the permissible amplitude of the switched current sharply decreased, and at a concentration> 5 · 10 12 cm -3 a usual avalanche breakdown occurred, and the speed inclusion sharply decreased.
При предлагаемом выполнении коллекторного p'N-перехода для включения прибора необходимо подать быстро нарастающий импульс (скорость не менее 1.0 кВ/нс=1·1012 В/с) перенапряжения в силовой цепи в направлении, запорном для этого перехода. В этом случае напряженность поля у p'N-перехода через некоторое время существенно превышает критическое поле лавинного пробоя в статических условиях Ев≈2·105 B/см, однако пробоя не происходит из-за того, что в области сильного поля нет свободных носителей, которые могли бы произвести ионизацию. Когда поле достигает величины (4÷5)·105 B/см, начинается туннельно-термическая ионизация глубоких ловушек. Освобождающиеся с них электроны оказываются в сверхкритическом поле и вызывают ударную ионизацию кремния, образуя электронно-дырочную плазму с высокой концентрацией. Поле в окрестности p'N-перехода падает, но возрастает в прилегающей области N-базы, где начинается туннельно-термическая ионизация ловушек и т.д. Сформировавшийся таким образом ударно-ионизационный фронт движется от p'N-перехода в сторону n'-слоя, вся N-база оказывается заполненной электронно-дырочной плазмой, и прибор переходит в проводящее состояние. Скорость движения фронта определяется в основном величиной сверхкритического поля и обычно в 4÷5 раз превышает предельно возможную (насыщенную) скорость движения электронов в кремнии VS≈107 см/с. Поэтому время включения прибора составляет десятые доли наносекунды, за это время напряжение на приборе падает от (2÷3) кВ до примерно 50 В, а ток возрастает почти до номинальной величины, после чего дальнейший спад напряжения обеспечивается увеличением концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых слоях за счет инжекции электронов и дырок прямосмещенными n+p'- и р+n'-эмиттерами (процесс включения продолжается по обычному тиристорному механизму). Поскольку основная часть процесса протекает за доли наносекунды, коммутационные потери в приборе в несколько десятков раз меньше, чем при способе включения аналогов и прототипа (типичном способе включения запираемых тиристоров), что обеспечивает уменьшение коммутационных потерь и, как следствие, увеличение рабочей частоты тиристора.With the proposed implementation of the collector p'N junction, to turn on the device it is necessary to apply a rapidly increasing pulse (speed of at least 1.0 kV / ns = 1 · 10 12 V / s) of overvoltage in the power circuit in the direction that is shut off for this junction. In this case, the field strength at the p'N junction significantly exceeds the critical field of avalanche breakdown under static conditions E at ≈2 · 10 5 B / cm after some time, but breakdown does not occur due to the absence of free fields in the strong field carriers that could produce ionization. When the field reaches a value of (4 ÷ 5) · 10 5 V / cm, tunnel-thermal ionization of deep traps begins. The electrons released from them appear in a supercritical field and cause shock ionization of silicon, forming an electron-hole plasma with a high concentration. The field in the vicinity of the p'N junction decreases, but increases in the adjacent region of the N base, where tunnel-thermal ionization of the traps begins, etc. The shock-ionization front formed in this way moves from the p'N junction toward the n'-layer, the entire N base is filled with electron-hole plasma, and the device goes into a conducting state. The front velocity is determined mainly by the magnitude of the supercritical field and is usually 4–5 times higher than the maximum possible (saturated) electron velocity in silicon V S ≈10 7 cm / s. Therefore, the device turn-on time is tenths of a nanosecond, during this time the voltage on the device drops from (2 ÷ 3) kV to about 50 V, and the current rises to almost the nominal value, after which a further voltage drop is provided by an increase in the concentration of the electron-hole plasma in the base layers due to injection of electrons and holes by directly biased n + p'- and p + n'-emitters (the switching process continues by the usual thyristor mechanism). Since the main part of the process proceeds in fractions of a nanosecond, the switching losses in the device are several tens of times less than with the method of switching on analogs and prototypes (a typical way of turning on lockable thyristors), which ensures a decrease in switching losses and, as a result, an increase in the operating frequency of the thyristor.
Для выключения прибора через управляющую цепь пропускают импульс тока в направлении, запорном для управляющего р+n'-перехода, причем в этом приборе минус прикладывается к р+-слою. При этом прерывается инжекция дырок из p+-слоя, удаляется электронно-дырочная плазма из n'-слоя, и затем из N-слоя. Ток через n+p'-переход продолжает протекать до тех пор, пока вся электронно-дырочная плазма не будет удалена импульсом тока управления, после чего р'N-коллекторный переход переходит в запертое состояние, и прибор резко выключается практически без «хвоста» тока. Этот процесс принципиально отличается от процесса выключения приборов с управляющим эмиттерным переходом, расположенным в тонкой p'-базе, тем, что возрастает задержка выключения, но сокращается длительность спада тока и нарастания напряжения на приборе, что приводит к резкому (в десятки раз) уменьшению коммутационных потерь при выключении (при меньшем напряжении потери меньше).To turn off the device, a current pulse is passed through the control circuit in the direction that is shut off for the control p + n'-junction, and in this device a minus is applied to the p + -layer. In this case, the injection of holes from the p + layer is interrupted, the electron-hole plasma is removed from the n'-layer, and then from the N-layer. The current through the n + p'-junction continues to flow until the entire electron-hole plasma is removed by the control current pulse, after which the p'N-collector junction goes into the locked state, and the device switches off abruptly with virtually no current tail . This process is fundamentally different from the process of turning off devices with a controlling emitter junction located in a thin p'-base in that the turn-off delay increases, but the duration of the current drop and the voltage increase on the device decreases, which leads to a sharp (tens of times) decrease in switching losses during shutdown (with lower voltage losses are less).
Таким образом, в запираемом кремниевом тиристоре с предлагаемой конструкцией р+n'Np'n+-структуры коммутационные потери при включении и выключении сокращаются в десятки раз, что позволяет увеличить рабочую частоту мощных запираемых тиристоров вплоть до мегагерцевого диапазона.Thus, in a lockable silicon thyristor with the proposed design of the p + n'Np'n + structure, switching losses when switching on and off are reduced by tens of times, which allows to increase the operating frequency of powerful lockable thyristors up to the megahertz range.
Структура запираемого тиристора схематически изображена на чертеже, The structure of the lockable thyristor is shown schematically in the drawing,
гдеWhere
1 - управляющий р+-эмиттер;1 - control p + emitter;
2 - буферный n'-слой;2 - buffer n'-layer;
3 - широкий базовый N-слой;3 - wide base N-layer;
4 - узкий базовый p'-слой;4 - narrow base p'-layer;
5 - неуправляемый n+-эмиттер;5 - uncontrolled n + emitter;
6 - металлический термокомпенсатор.6 - metal temperature compensator.
Устройство содержит последовательно расположенные секционированный эмиттерный слой р-типа проводимости 1, буферный n'-слой n-типа проводимости 2, широкий базовый N-слой n-типа проводимости 3, узкий базовый p'-слой р-типа проводимости 4, эмиттерный высоколегированный слой n-типа проводимости 5 и металлический термокомпенсатор 6.The device contains sequentially arranged partitioned p-type emitter layer 1, a buffer n-layer of n-type conductivity 2, a wide base N-layer of n-type conductivity 3, a narrow base p'-layer of p-type conductivity 4, a high-alloy emitter layer n-type conductivity 5 and metal temperature compensator 6.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Для запуска к прибору (в силовой цепи АВ) прикладывается быстро нарастающий импульс перенапряжения (скорость не менее 1.0 кВ/нс) в направлении, запорном для коллекторного p'N-перехода. Прибор переходит в проводящее состояние, через него протекает силовой ток при малом остаточном напряжении. Выключение прибора осуществляется через управляющую цепь АС, в которой пропускают импульс тока в направлении, запорном для р+n'-перехода (в приборе прикладывается минус к р+-слою). Прибор переходит в выключенное состояние, блокируя напряжение силовой цепи.To start the device (in the power circuit AB), a rapidly increasing overvoltage pulse (speed of at least 1.0 kV / ns) is applied in the direction that is shut off for the collector p'N junction. The device goes into a conducting state, a power current flows through it with a small residual voltage. The device is turned off through the control circuit AC, in which a current pulse is passed in the direction that is shut off for the p + n'-junction (a minus is applied to the p + layer in the device). The device goes into off state, blocking the voltage of the power circuit.
Пример 1.Example 1
Согласно предлагаемому изобретению (см. чертеж) была изготовлена кремниевая p+n'Np'n+-структура, размещенная на термокомпенсаторе 6, со следующими геометрическими и электрофизическими параметрами слоев. Коллекторный p'N-переход был изготовлен диффузией алюминия с поверхностной концентрацией NA=7·1016 см-3 на глубину 70 мкм в исходную пластину из кремния n-типа с удельным сопротивлением ρ≥50 Ом·см и толщиной 280 мкм, буферный n'-слой 2 был изготовлен диффузией фосфора с поверхностной концентрацией 1·1018 см-3 на глубину 10 мкм, р+- и n+-эмиттеры 1 и 5 были изготовлены диффузией на глубину ~2 мкм бора и фосфора с поверхностной концентрацией ~1020 см-3. Концентрация электронных ловушек составляла Nл~1·1012 см-3. Блокируемое напряжение составляло 1.9 кВ, остаточное напряжение во включенном состоянии ~1.3 В при плотности прямого тока 200 А/см2. Ширина элементарной ячейки управляющего р+n'-эмиттера была ~10 мкм. На приборе с диаметром рабочей части пластины 0.7 см размещалось 2·104 ячеек. Для запуска в силовой цепи АВ прикладывали импульс перенапряжения, нарастающий со скоростью 1.2 кВ/нс. За 2 нс напряжение на приборе нарастало до ~2.8кВ, и затем в течение 0.15 нс спадало до ~50 В, а затем в течение 200 нс уменьшалось до 2 В при токе 80 А. Выключение прибора осуществлялось пропусканием через управляющий эмиттерный р+n'-переход (в цепи АС) импульса тока с амплитудой 5 А, временем нарастания 20 нс и длительностью 1 мкс. При этом задержка выключения прибора составляла 100 нс, быстрый участок спада ~200 нс и «хвост» спада тока ~300 нс. Предельная рабочая частота при принудительном воздушном охлаждении была ~0.7 МГц, что более чем на порядок превышает рабочую частоту прототипа.According to the invention (see drawing) was made silicon p + n'Np'n + -structure placed on the temperature compensator 6, with the following geometric and electrophysical parameters of the layers. The collector p'N junction was made by diffusion of aluminum with a surface concentration of N A = 7 · 10 16 cm -3 to a depth of 70 μm into the initial plate of n-type silicon with a specific resistance of ρ≥50 Ohm · cm and a thickness of 280 μm, buffer The n'-layer 2 was made by diffusion of phosphorus with a surface concentration of 1 × 10 18 cm -3 to a depth of 10 μm, the p + and n + emitters 1 and 5 were made by diffusion to a depth of ~ 2 μm of boron and phosphorus with a surface concentration of ~ 10 20 cm -3 . The concentration of electron traps was N l ~ 1 · 10 12 cm -3 . The blocked voltage was 1.9 kV, the residual voltage in the on state was ~ 1.3 V at a direct current density of 200 A / cm 2 . The width of the unit cell of the control p + n'-emitter was ~ 10 μm. On the device with a diameter of the working part of the plate 0.7 cm placed 2 · 10 4 cells. To start in the power circuit AB, an overvoltage pulse was applied, increasing at a speed of 1.2 kV / ns. In 2 ns, the voltage on the device increased to ~ 2.8 kV, and then within 0.15 ns it dropped to ~ 50 V, and then within 200 ns it decreased to 2 V at a current of 80 A. The device was turned off by passing through the control emitter p + n ' junction (in the AC circuit) of a current pulse with an amplitude of 5 A, a rise time of 20 ns, and a duration of 1 μs. In this case, the device shutdown delay was 100 ns, the fast decay portion was ~ 200 ns, and the tail of the current decay was ~ 300 ns. The maximum working frequency during forced air cooling was ~ 0.7 MHz, which is more than an order of magnitude higher than the working frequency of the prototype.
Пример 2.Example 2
Была изготовлена кремниевая p+n'Np'n+-структура, размещенная на термокомпенсаторе 6, со следующими геометрическими и электрофизическими параметрами слоев. Коллекторный p'N-переход был изготовлен диффузией алюминия с поверхностной концентрацией NA=3·1016 см-3 на глубину 100 мкм в исходную пластину из кремния n-типа с удельным сопротивлением ρ≈100 Ом·см и толщиной 350 мкм, n'-слой 2 был изготовлен диффузией фосфора с поверхностной концентрацией 7·1016 см-3 на глубину 18 мкм, р+- и n+-эмиттеры 1 и 5 были изготовлены диффузией бора и фосфора на глубину 4 мкм с поверхностной концентрацией ~7·1019 см-3. Концентрация электронных ловушек составляла NЛ~1·1011 см-3. Блокируемое напряжение было ~3.0 кВ, остаточное напряжение во включенном состоянии ~1.5 В при плотности прямого тока 100 А/см2. Ширина элементарной ячейки р+n'-эмиттера была ~10 мкм. На приборе с диаметром рабочей части пластины 1.0 см размещалось 4·104 ячеек. К прибору было приложено постоянное напряжение ~2 кВ, а потом подавали импульс перенапряжения, нарастающий со скоростью 1.2 кВ/нс. За 2.5 нс напряжение на приборе нарастало до 4.5 кВ, затем в течение 0.25 нс спадало до ~70 В, и затем в течение 300 нс уменьшалось до 2.5 В при токе 100 А. Выключение прибора осуществлялось пропусканием через управляющий эмиттерный р+n'-переход импульса тока с амплитудой 5 А, временем нарастания 20 нс и длительностью 1 мкс. Задержка выключения составляла 200 нс, «хвост» - ~500 нс. Предельная частота в тех же условиях, что и в примере 1, составляла 350 кГц.A silicon p + n'Np'n + structure was fabricated, placed on a temperature compensator 6, with the following geometric and electrophysical parameters of the layers. The collector p'N junction was made by diffusion of aluminum with a surface concentration of N A = 3 × 10 16 cm -3 to a depth of 100 μm into the initial n-type silicon wafer with a resistivity of ρ≈100 Ω cm and a thickness of 350 μm, n the 'layer 2 was made by diffusion of phosphorus with a surface concentration of 7 · 10 16 cm -3 to a depth of 18 μm, the p + and n + emitters 1 and 5 were made by diffusion of boron and phosphorus to a depth of 4 μm with a surface concentration of ~ 7 · 10 19 cm -3 . The concentration of electron traps was N L ~ 1 · 10 11 cm -3 . The blocked voltage was ~ 3.0 kV, the residual voltage in the on state ~ 1.5 V at a direct current density of 100 A / cm 2 . The width of the unit cell of the p + n'-emitter was ~ 10 μm. On a device with a diameter of the working part of the plate 1.0 cm, 4 · 10 4 cells were placed. A constant voltage of ~ 2 kV was applied to the device, and then an overvoltage pulse was applied, increasing at a speed of 1.2 kV / ns. Over 2.5 ns, the voltage on the device increased to 4.5 kV, then dropped to ~ 70 V within 0.25 ns, and then decreased to 2.5 V at a current of 100 A within 300 ns. The device was turned off by passing through a control emitter p + n'-junction a current pulse with an amplitude of 5 A, a rise time of 20 ns and a duration of 1 μs. The turn-off delay was 200 ns, the tail was ~ 500 ns. The limiting frequency under the same conditions as in example 1 was 350 kHz.
Для проверки допустимых диапазонов изменения конструктивных параметров заявляемого устройства и способа его работы были выполнены следующие эксперименты.To verify the permissible ranges of changes in the structural parameters of the claimed device and the method of its operation, the following experiments were performed.
Изготовлены и испытаны структуры, аналогичные описанной в Примере 1, с изменениями, соответствующими границам диапазонов параметров и их заграничным величинам.Fabricated and tested structures similar to those described in Example 1, with changes corresponding to the boundaries of the ranges of parameters and their foreign values.
Пример 3.Example 3
Поверхностная концентрация алюминия изменялась в следующем диапазоне: NA=5·1015, 1·1016, 1·1017, 1·1018 см-3. При NA=5·1015 см-3 p'N-переход имел резко неоднородный фронт, блокируемое напряжение 570 В (при расчетном значении 1.9 кВ) и большой ток утечки. Приборы с NA=1·1016 и NA=1·1017 см-3 имели блокируемое напряжение, соответствующее расчетному, а прибор с NA=1·1018 см-3 не включался вообще. Таким образом, рабочим диапазоном является (1016≤NA≤1017) см-3.The surface concentration of aluminum varied in the following range: N A = 5 · 10 15 , 1 · 10 16 , 1 · 10 17 , 1 · 10 18 cm -3 . At N A = 5 · 10 15 cm -3, the p'N junction had a sharply inhomogeneous front, a blocked voltage of 570 V (at the calculated value of 1.9 kV) and a large leakage current. Devices with N A = 1 · 10 16 and N A = 1 · 10 17 cm -3 had a lockable voltage corresponding to the rated voltage, and devices with N A = 1 · 10 18 cm -3 did not turn on at all. Thus, the working range is (10 16 ≤N A ≤10 17 ) cm -3 .
Пример 4.Example 4
Концентрация электронных ловушек NЛ в N-слое была 2·1010, 5·1010, 5·1012 и 8·1012 см-3. При Nл=5·1010 см-3 и 5·1012 см-3 включение при приложении импульса перенапряжения происходило за время <1 нс, при NЛ=2·1010 см-3 прибор необратимо пробился при включении (вероятно, из-за примерного характера включения), а при NЛ=8·1012 см-3 включение происходило при напряжении, равном статическому напряжению, причем время переключения было ~0.7 микросекунды. Таким образом, рабочим диапазоном концентраций ловушек является (5·1010≤NЛ≤5·1012) см-3.The concentration of N L electron traps in the N layer was 2 · 10 10 , 5 · 10 10 , 5 · 10 12 and 8 · 10 12 cm -3 . At N l = 5 · 10 10 cm -3 and 5 · 10 12 cm -3, switching on when an overvoltage pulse was applied occurred in <1 ns; at N L = 2 · 10 10 cm -3, the device irreversibly broke through when turned on (probably due to the approximate nature of the inclusion), and at N Л = 8 · 10 12 cm -3, the inclusion occurred at a voltage equal to the static voltage, and the switching time was ~ 0.7 microseconds. Thus, the working range of trap concentrations is (5 · 10 10 ≤N L ≤5 · 10 12 ) cm -3 .
Пример 5.Example 5
Исследованы структуры, аналогичные описанной в примере 1, но с глубиной p'N-перехода 120, 50, 20 мкм. При глубине 120 мкм и 50 мкм происходило нормальное включение прибора за время ~2 нс, а при глубине 20 мкм это время возрастало до ~1 мкс, и приборы выходили из строя после нескольких включений. Поскольку глубина залегания более 120 мкм неприемлема из технологических соображений (процесс диффузии протекает в течение нескольких суток), рабочий диапазон глубины p'N-перехода лежит в пределах от 120 до 50 мкм.Structures similar to those described in Example 1, but with a p'N junction depth of 120, 50, 20 μm, were studied. At a depth of 120 μm and 50 μm, the instrument turned on normally for ~ 2 ns, and at a depth of 20 μm this time increased to ~ 1 μs, and the instruments failed after several starts. Since a depth of more than 120 μm is unacceptable from technological considerations (the diffusion process takes several days), the working range of the depth of the p'N junction lies in the range from 120 to 50 μm.
Пример 6.Example 6
На структурах, аналогичных описанной в примере 1, исследовалось включение при различной скорости нарастания перенапряжения (du/dt). При du/dt=1 кВ/нс время быстрого участка включения было 0.2 нс, при 2 кВ/нс оно составляло 0.1 нс (предел разрешения установки), при 0.7 кВ/нс - ~2 нс, а при 0.5 кВ/нс - 20 нс. Таким образом, для быстрого переключения с малыми коммутационными потерями необходимо иметь du/dt≥1 кВ/нс.On structures similar to those described in example 1, the inclusion was investigated at different rates of rise of voltage (du / dt). At du / dt = 1 kV / ns, the time of the fast switching-on section was 0.2 ns, at 2 kV / ns it was 0.1 ns (the resolution limit of the setup), at 0.7 kV / ns it was ~ 2 ns, and at 0.5 kV / ns it was 20 ns. Thus, for fast switching with low switching losses, it is necessary to have du / dt≥1 kV / ns.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007106487/28A RU2335824C1 (en) | 2007-02-20 | 2007-02-20 | Lockable thyristor and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007106487/28A RU2335824C1 (en) | 2007-02-20 | 2007-02-20 | Lockable thyristor and method of its operation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2335824C1 true RU2335824C1 (en) | 2008-10-10 |
Family
ID=39927953
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007106487/28A RU2335824C1 (en) | 2007-02-20 | 2007-02-20 | Lockable thyristor and method of its operation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2335824C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550090C2 (en) * | 2013-03-06 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Thin-film ferroelectric capacitor |
CN113345958A (en) * | 2020-03-03 | 2021-09-03 | 株式会社东芝 | Control method of semiconductor device |
-
2007
- 2007-02-20 RU RU2007106487/28A patent/RU2335824C1/en active IP Right Revival
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550090C2 (en) * | 2013-03-06 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Thin-film ferroelectric capacitor |
CN113345958A (en) * | 2020-03-03 | 2021-09-03 | 株式会社东芝 | Control method of semiconductor device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Grekhov | Pulse power generation in nano-and subnanosecond range by means of ionizing fronts in semiconductors: The state of the art and future prospects | |
JP5365009B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US11101133B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
Lutz et al. | Dynamic avalanche in bipolar power devices | |
US4281336A (en) | Thyristor element with short turn-off time and method for producing such element | |
Lutz | Axial recombination centre technology for freewheeling diodes | |
CN111933705B (en) | Manufacturing method of power semiconductor device and power semiconductor device | |
US7868352B2 (en) | Silicon break over diode | |
CN108574016A (en) | A kind of the silicon carbide DSRD devices and Pulsed power generator of super-junction structure | |
Corvasce et al. | New 1700V SPT+ IGBT and diode chip set with 175 C operating junction temperature | |
Levinshtein et al. | Optical switch-on of silicon carbide thyristor | |
RU2335824C1 (en) | Lockable thyristor and method of its operation | |
Li et al. | Experimental study on displacement damage effects of anode-short MOS-controlled thyristor | |
Ruff et al. | Progress in the development of an 8-kV light-triggered thyristor with integrated protection functions | |
JPH07106605A (en) | High speed diode | |
Rahimo et al. | Novel soft-punch-through (SPT) 1700V IGBT sets benchmark on technology curve | |
Yan et al. | Optimization design for SiC drift step recovery diode (DSRD) | |
JP2019071503A (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
Vobecky et al. | Bidirectional phase control thyristor (BiPCT): a new antiparallel thyristor concept | |
RU97006U1 (en) | SEMICONDUCTOR SWITCHING DEVICE | |
RU187991U1 (en) | NANOSECOND SPEED DYNISTER | |
JP3622405B2 (en) | Semiconductor switching element and IGBT module | |
Schulze et al. | Thyristor with integrated forward recovery protection function | |
Kozlov et al. | Impact ionization wave breakdown of drift step recovery diodes | |
Stoisiek et al. | A 200-A/2000-V MOS-GTO with improved cell design |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130221 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160227 |