RU2474925C1 - Power thyristor - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: in a power thyristor arranged on the basis of a silicon plate of n-type of electroconductivity, comprising at both sides of the plate the diffusion p-layers, forming high-voltage p-n-transitions with local reduction of occurrence depth of the p-n-transition in the centre of the plate at least at its one side, local diffusion n+-layers arranged at the same side of the plate, forming the main emitter of the thyristor and several circular auxiliary emitters, a resistor built into the p-layer, arranged between auxiliary emitters, metallised ohmic contacts arranged on the surface of the main emitter (cathode), on the reverse side of the plate (anode), on the surface of auxiliary emitters with a transition over their outer border to the surface of the p-layer, between the resistor built into the p-layer and the auxiliary emitter arranged outside from it there is a circular metallised ohmic contact to the p-layer (a control electrode) with width from 0.5 mm to 1.5 mm.

EFFECT: integration of a function of self-protection against overvoltage pulses into standard current-controlled thyristors.

1 dwg

Description

Изобретение относится к силовым полупроводниковым приборам, а именно к конструкции силовых тиристоров, управляемых током.The invention relates to power semiconductor devices, and in particular to the design of power thyristors controlled by current.

Известна конструкция управляемого током силового тиристора [1] (Патент США №4868636, кл. H01L 23/482; H01L 29/41; H01L 29/417; H01L 29/74, опубл. 19.09.1989 г.), содержащая кремниевую пластину n-типа электропроводности, в которой с обеих сторон пластины расположены диффузионные р-слои, образующие высоковольтные р-n-переходы, и с одной стороны расположен локальный диффузионный n+-слой, образующий эмиттер. Металлизированные омические контакты созданы на поверхности локального n+-слоя (катод), на поверхности р-слоя с этой же стороны пластины (управляющий электрод) и на обратной стороне пластины (анод).A known design of a current-controlled power thyristor [1] (US Patent No. 4868636, class H01L 23/482; H01L 29/41; H01L 29/417; H01L 29/74, publ. 09/19/1989), containing a silicon wafer n -type of electrical conductivity, in which diffusion p-layers are located on both sides of the plate, which form high-voltage p-n junctions, and on the one hand there is a local diffusion n + layer forming an emitter. Metallized ohmic contacts are created on the surface of the local n + layer (cathode), on the surface of the p layer on the same side of the plate (control electrode) and on the back side of the plate (anode).

Недостаток такой конструкции тиристора заключается в том, что она не имеет функции защиты от импульсов перенапряжения, то есть напряжения прямого направления в закрытом состоянии, превышающего допустимое значение. В таких режимах наиболее вероятно переключение тиристора на рабочий ток в произвольной небольшой области кремниевой пластины и выход тиристора из строя. Поэтому такие тиристоры защищают от импульсов перенапряжения с помощью внешних устройств, подключаемых между анодом и управляющим электродом.The disadvantage of this thyristor design is that it does not have the function of protecting against overvoltage impulses, that is, forward direction voltage in the closed state, exceeding the permissible value. In such modes, the thyristor is most likely to switch to the operating current in an arbitrary small area of the silicon wafer and the thyristor will fail. Therefore, such thyristors protect against overvoltage pulses using external devices connected between the anode and the control electrode.

Наиболее близкое к предлагаемому конструктивное решение [2] (J.Dorn, U.Keller, F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp.29-35) относится к конструкции силового фототиристора, то есть тиристора, включаемого световым сигналом (включение током управления не предусмотрено). В [2] обеспечивается самозащита фототиристора от импульсов перенапряжения.Closest to the proposed constructive solution [2] (J. Dorn, U. Keller, F.-J. Niedernostheide, H.-J. Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp.29 -35) refers to the design of a power photothyristor, that is, a thyristor turned on by a light signal (switching on by the control current is not provided). In [2], the photo thyristor is protected against overvoltage pulses.

Фототиристор [2] выполнен на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержащей с обеих сторон диффузионные р-слои, образующие высоковольтные р-n-переходы с локальным уменьшением глубины залегания p-n-перехода в центре пластины с одной ее стороны. С этой же стороны пластины расположены локальные диффузионные n+-слои, образующие n+-эмиттер основной p-n-р-n-структуры тиристора (основной эмиттер), и несколько кольцевых вспомогательных эмиттеров, между которыми находится встроенный в р-слой резистор, ограничивающий ток первоначального включения, протекающий от центральной области к основному эмиттеру тиристора. Металлизированные омические контакты расположены на поверхности основного эмиттера (катод), на обратной стороне пластины (анод), а также на поверхности вспомогательных эмиттеров с переходом через их внешнюю границу на поверхность р-слоя для осуществления регенеративного включения. При регенеративном включении, когда подается управляющий световой сигнал в центр пластины, анодный ток первоначально включаемого центрального вспомогательного тиристора или тиристоров используется как ток управления для основного тиристора, что существенно увеличивает площадь первоначального включения и предотвращает разрушение тиристора. Встроенный в р-слой резистор ограничивает ток первоначального включения центрального вспомогательного тиристора (тиристоров), имеющих небольшие периферию и объем, для предотвращения их перегрева и разрушения. После включения основного тиристора ток через вспомогательные тиристоры прекращается, так как к их эмиттерам непосредственно не приложен катодный потенциал.The photothyristor [2] is made on the basis of an n-type silicon wafer containing diffusion p-layers on both sides that form high-voltage p-n junctions with a local decrease in the depth of the p-n junction in the center of the wafer on one side of the wafer. On the same side of the plate there are local diffusion n + layers forming the n + emitter of the main pn-p-n-structure of the thyristor (main emitter), and several ring auxiliary emitters, between which there is a resistor built into the p-layer, limiting the initial switching current flowing from the central region to the main emitter of the thyristor. Metallized ohmic contacts are located on the surface of the main emitter (cathode), on the back side of the plate (anode), as well as on the surface of auxiliary emitters with a transition through their outer boundary to the surface of the p-layer for regenerative inclusion. When regenerative switching on, when a control light signal is supplied to the center of the plate, the anode current of the initially turned on central auxiliary thyristor or thyristors is used as the control current for the main thyristor, which significantly increases the initial switching on area and prevents the destruction of the thyristor. A resistor built into the p-layer limits the current of the initial switching on of the central auxiliary thyristor (thyristors), which have small periphery and volume, to prevent their overheating and destruction. After turning on the main thyristor, the current through auxiliary thyristors ceases, since the cathode potential is not directly applied to their emitters.

В конструкции [2] самозащита тиристора при приложении импульсов перенапряжения обеспечивается включением тиристора в центре пластины за счет уменьшения глубины залегания р-n-перехода и, соответственно, снижения его напряжения лавинного пробоя в этой области. При начале лавинного умножения неравновесные носители, поступающие в р-базу, вызывают регенеративное включение так же, как описано выше в случае генерации носителей светом. Небольшая периферия центрального вспомогательного тиристора обеспечивает достаточную для его включения плотность неравновесных носителей.In the design [2], the thyristor self-protection upon application of overvoltage pulses is provided by turning on the thyristor in the center of the plate by reducing the depth of the pn junction and, accordingly, reducing its avalanche breakdown voltage in this region. At the beginning of avalanche multiplication, nonequilibrium carriers entering the p base cause regenerative inclusion in the same way as described above in the case of carrier generation by light. The small periphery of the central auxiliary thyristor provides a density of nonequilibrium carriers sufficient for its inclusion.

Однако в управляемых током тиристорах проблема самозащиты от перенапряжения не решена.However, in current-controlled thyristors, the problem of self-protection against overvoltage has not been solved.

Техническим результатом предлагаемого решения является интеграция функции самозащиты от импульсов перенапряжения в обычные управляемые током тиристоры.The technical result of the proposed solution is the integration of the function of self-protection against overvoltage pulses in conventional thyristors controlled by current.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции силового тиристора, выполненной на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, с обеих сторон пластины расположены диффузионные р-слои, образующие высоковольтные p-n-переходы с локальным уменьшением глубины залегания p-n-перехода в центре пластины по крайней мере с одной ее стороны, с той же стороны пластины расположены локальные диффузионные n+-слои, образующие основной эмиттер тиристора и несколько кольцевых вспомогательных эмиттеров, между которыми находится встроенный в р-слой резистор, металлизированные омические контакты расположены на поверхности основного эмиттера (катод), на обратной стороне пластины (анод), на поверхности вспомогательных эмиттеров с переходом через их внешнюю границу на поверхность р-слоя, а также между встроенным в р-слой резистором и расположенным снаружи от него вспомогательным эмиттером создан кольцевой металлизированный омический контакт к р-слою (управляющий электрод), имеющий ширину от 0,5 мм до 1,5 мм.The technical result is achieved by the fact that in the proposed power thyristor design based on an n-type silicon wafer, diffusion p-layers are located on both sides of the wafer, forming high-voltage pn junctions with a local decrease in the depth of the pn junction in the center of the wafer at on one side of it, on the same side of the wafer there are local diffusion n + layers forming the main emitter of the thyristor and several ring auxiliary emitters, between which you can find a resistor is built into the p-layer, metallized ohmic contacts are located on the surface of the main emitter (cathode), on the back of the plate (anode), on the surface of the auxiliary emitters with a transition through their outer boundary to the surface of the p-layer, and also between the built-in p - a layer with a resistor and an auxiliary emitter located outside of it creates an annular metallized ohmic contact to the p-layer (control electrode) having a width of 0.5 mm to 1.5 mm.

Признаком, отличающим предлагаемое техническое решение от прототипа, является наличие кольцевого металлизированного омического контакта к р-слою (управляющего электрода) шириной от 0,5 мм до 1,5 мм, созданного между встроенным в р-слой резистором и расположенным снаружи от него вспомогательным эмиттером.A sign that distinguishes the proposed technical solution from the prototype is the presence of an annular metallized ohmic contact to the p-layer (control electrode) with a width of 0.5 mm to 1.5 mm created between the resistor built into the p-layer and the auxiliary emitter located outside of it .

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.Known technical solutions with such signs were not found.

Указанная ширина контакта достаточна для присоединения к нему вывода управляющего электрода. При ширине менее 0,5 мм при сборке трудно совместить этот электрод с выводом управляющего электрода корпуса, а при ширине более 1,5 мм неэффективно используется площадь структуры.The specified contact width is sufficient to connect to it the output of the control electrode. With a width of less than 0.5 mm during assembly, it is difficult to combine this electrode with the output of the control electrode of the housing, and with a width of more than 1.5 mm, the structure area is inefficiently used.

На фигуре изображен фрагмент силового тиристора предложенной конструкции. Обозначены: 1 - кремниевая пластина n-типа электропроводности; 2 и 3 - диффузионные р-слои, образующие р-n-переходы 4 и 5; 6 - область локального уменьшения глубины залегания p-n-перехода 5; 7, 8, 9, 10 - вспомогательные эмиттеры; 11 - основной эмиттер; 12 - встроенный резистор R; 13 и 14 - металлизированные омические контакты на поверхности основного эмиттера (катод), и на обратной стороне пластины (анод); 15, 16, 17 и 18 - металлизированные омические контакты на поверхности вспомогательных эмиттеров; 19 - кольцевой металлизированный омический контакт к р-слою (управляющий электрод).The figure shows a fragment of the power thyristor of the proposed design. Designated: 1 - silicon wafer n-type electrical conductivity; 2 and 3 - diffusion p-layers forming pn junctions 4 and 5; 6 - region of local decrease in the depth of the p-n junction 5; 7, 8, 9, 10 - auxiliary emitters; 11 - the main emitter; 12 - built-in resistor R; 13 and 14 - metallized ohmic contacts on the surface of the main emitter (cathode), and on the reverse side of the plate (anode); 15, 16, 17 and 18 - metallized ohmic contacts on the surface of auxiliary emitters; 19 - ring metallized ohmic contact to the p-layer (control electrode).

В предложенной конструкции ток управления, протекающий между управляющим электродом и катодом, не протекает через встроенный в р-слой резистор. Таким образом, напряжение управления остается на обычном для силовых тиристоров уровне.In the proposed design, the control current flowing between the control electrode and the cathode does not flow through a resistor built into the p-layer. Thus, the control voltage remains at the usual level for power thyristors.

Работа прибораDevice operation

Прибор включается как обычный тиристор током управления при подаче на управляющий электрод 19 положительного смещения относительно катода 13. При этом осуществляется регенеративное включение - анодный ток первоначально включаемых вспомогательных тиристоров с вспомогательными эмиттерами 9 и 10 является током управления основного тиристора с эмиттером 11.The device turns on as a normal thyristor by the control current when a positive bias is applied to the control electrode 19 relative to the cathode 13. At the same time, regenerative switching is performed - the anode current of the initially turned on auxiliary thyristors with auxiliary emitters 9 and 10 is the control current of the main thyristor with emitter 11.

В закрытом состоянии тиристора в режиме перенапряжения начинается пробой высоковольтного р-n-перехода 5 в области 6, и тиристор включается, начиная с центральной области, с помощью регенеративных вспомогательных эмиттерных областей 7, 8, 9 и 10, что обеспечивает существенное увеличение площади первоначального включения. Встроенный в р-слой резистор 12 ограничивает ток первоначального включения центральных вспомогательных тиристоров с эмиттерами 7 и 8, протекающий от центральной области к основному эмиттеру тиристора. Таким образом, за счет безопасного включения тиристор защищен от разрушения при перенапряжении.In the closed state of the thyristor in overvoltage mode, a breakdown of the high-voltage pn junction 5 in region 6 begins, and the thyristor is turned on, starting from the central region, using regenerative auxiliary emitter regions 7, 8, 9, and 10, which provides a significant increase in the initial switching . A resistor 12 built into the p-layer limits the initial switching current of the central auxiliary thyristors with emitters 7 and 8, flowing from the central region to the main emitter of the thyristor. Thus, due to the safe switching on, the thyristor is protected from destruction during overvoltage.

Пример реализацииImplementation example

Были изготовлены тиристоры предложенной конструкции на основе кремниевых пластин n-типа электропроводности с удельным сопротивлением 180 Ом*см и диаметром 56 мм. При изготовлении тиристоров были использованы стандартные технологические процессы, включающие шлифовку кремниевых пластин, очистку их в перекисно-кислотных растворах, фотолитографию, диффузию акцепторных примесей (А1 и В) и локальную диффузию донорной примеси (Р) для формирования, соответственно, р-слоев (2 и 3) и n+-слоев (7-11), создание омических контактов (13-19) путем вакуумного напыления алюминия, формирование прямой и обратной фасок высоковольтных p-n-переходов, очистку и защиту фасок. Перед диффузией акцепторных примесей в центре одной стороны пластины с помощью фотолитографии локальным травлением в смеси фтористоводородной и азотной кислот создавали лунку диаметром 0.5 мм и глубиной порядка 20 мкм. Это обеспечило локальное уменьшение глубины залегания высоковольтного p-n-перехода 5 в области 6 за счет стравливания нарушенного слоя под шлифованной поверхностью и таким образом существенного замедления диффузии А1. Описанная лунка не показана на фигуре, так как локальное уменьшение глубины залегания высоковольтного p-n-перехода может быть достигнуто и другими способами.Thyristors of the proposed design were manufactured on the basis of n-type silicon wafers with a resistivity of 180 Ohm * cm and a diameter of 56 mm. In the manufacture of thyristors, standard technological processes were used, including grinding silicon wafers, cleaning them in acid-peroxide solutions, photolithography, diffusion of acceptor impurities (A1 and B) and local diffusion of donor impurities (P) to form, respectively, p layers (2 and 3) and n + layers (7-11), the creation of ohmic contacts (13-19) by vacuum deposition of aluminum, the formation of the direct and reverse chamfers of high-voltage pn junctions, the cleaning and protection of chamfers. Before diffusion of acceptor impurities in the center of one side of the plate using photolithography by local etching in a mixture of hydrofluoric and nitric acids, a hole with a diameter of 0.5 mm and a depth of about 20 μm was created. This ensured a local decrease in the depth of the high-voltage p-n junction 5 in region 6 due to the etching of the damaged layer under the polished surface and thus a significant slowdown of A1 diffusion. The described hole is not shown in the figure, since a local decrease in the depth of the high-voltage p-n junction can be achieved in other ways.

Для создания встроенного в р-слой резистора с использованием фотолитографии проводили локальное травление р-слоя в смеси фтористоводородной и азотной кислот с образованием кольцевой канавки шириной 1.3 мм и глубиной порядка 20 мкм, что обеспечило сопротивление R порядка 40 Ом (канавка показана на фигуре над созданным резистором R (12)).To create a resistor built into the p-layer using photolithography, the p-layer was etched locally in a mixture of hydrofluoric and nitric acids with the formation of an annular groove 1.3 mm wide and about 20 μm deep, which provided a resistance R of about 40 Ohms (the groove shown in the figure above the created resistor R (12)).

Были изготовлены 3 варианта тиристоров предложенной конструкции с шириной кольцевого управляющего электрода, равной 0,5, 1,0 и 1,5 мм. Для всех тиристоров толщина пластин кремния была равна 870 мкм, глубина диффузионного р-слоя в плоской части 110 мкм, и в области искривления - 40 мкм. Глубина n+-слоя составляла 24 мкм. Толщина напыленного слоя алюминия составляла порядка 15 мкм. При сборке тиристоров в корпуса прижимной вывод управляющего электрода корпуса совмещался с управляющим электродом на пластине (19).Three thyristor variants of the proposed design were manufactured with a ring control electrode width of 0.5, 1.0, and 1.5 mm. For all thyristors, the thickness of the silicon wafers was 870 μm, the depth of the diffusion p-layer in the flat part was 110 μm, and in the curvature region was 40 μm. The depth of the n + layer was 24 μm. The thickness of the deposited aluminum layer was about 15 μm. When assembling the thyristors in the housing, the pressure output of the control electrode of the housing was combined with the control electrode on the plate (19).

Были изготовлены по 10 тиристоров каждого варианта. Для всех тиристоров измеренные значения напряжения переключения лежали в интервале 3380-3770 В, и значения напряжения лавинного пробоя в обратном направлении лежали в интервале 3820-4240 В. Значения тока управления составили от 63 мА до 121 мА.10 thyristors of each variant were made. For all thyristors, the measured switching voltage values were in the range of 3380-3770 V, and the values of avalanche breakdown voltage in the opposite direction were in the range of 3820-4240 V. The values of the control current ranged from 63 mA to 121 mA.

При проверке функции самозащиты тиристоров от перенапряжения испытательный стенд вырабатывал импульсы напряжения, превышающего напряжение переключения тиристоров. При этом тиристоры включались на заданный ток 100 А. После испытаний измеряли значения напряжения переключения и значения напряжения лавинного пробоя в обратном направлении и сравнивали со значениями до испытаний. После испытаний значения указанных параметров не изменились, что свидетельствует об отсутствии деградации тиристоров вследствие их эффективной самозащиты.When testing the thyristor self-protection function against overvoltage, the test bench generated voltage pulses exceeding the switching voltage of the thyristors. In this case, the thyristors were switched on for a given current of 100 A. After the tests, the switching voltage and the values of the avalanche breakdown voltage in the opposite direction were measured and compared with the values before the tests. After testing, the values of these parameters did not change, which indicates the absence of thyristor degradation due to their effective self-defense.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4868636, кл. H01L 23/482; H01L 29/41; H01L 29/417; H01L 29/74, опубл. 19.09.1989 г.1. US patent No. 4868636, CL. H01L 23/482; H01L 29/41; H01L 29/417; H01L 29/74, publ. 09/19/1989

2. J.Dorn, U.Keller, F.-J.Niedernostheide, H.-J.Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp.29-35 (прототип).2. J. Dorn, U. Keller, F.-J. Niedernostheide, H.-J. Schulze "Light Triggered Protection Thyristors", Power Electronics Europe, Issue 2, 2002, pp. 29-35 (prototype).

Claims (1)

Силовой тиристор, управляемый током и обеспечивающий самозащиту от импульсов перенапряжения, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности, содержащий с обеих сторон пластины диффузионные р-слои, образующие высоковольтные р-n-переходы с локальным уменьшением глубины залегания р-n-перехода в центре пластины по крайней мере с одной ее стороны, расположенные с той же стороны пластины локальные диффузионные n+-слои, образующие основной эмиттер тиристора и несколько кольцевых вспомогательных эмиттеров, встроенный в р-слой резистор, расположенный между вспомогательными эмиттерами, металлизированные омические контакты, расположенные на поверхности основного эмиттера (катод), на обратной стороне пластины (анод), на поверхности вспомогательных эмиттеров с переходом через их внешнюю границу на поверхность р-слоя, отличающийся тем, что между встроенным в р-слой резистором и расположенным снаружи от него вспомогательным эмиттером создан кольцевой металлизированный омический контакт к р-слою (управляющий электрод) шириной от 0,5 мм до 1,5 мм. A thyristor controlled by current and providing self-protection against overvoltage pulses, made on the basis of an n-type silicon wafer, containing diffusion p-layers on both sides of the plate, forming high-voltage p-n junctions with a local decrease in the depth of the p-n junction in the center of the plate at least on one side of the plate, local diffusion n + layers located on the same side of the plate, which form the main emitter of the thyristor and several ring auxiliary emitters built into the pc ohm resistor located between auxiliary emitters, metallized ohmic contacts located on the surface of the main emitter (cathode), on the back side of the plate (anode), on the surface of auxiliary emitters with a transition through their outer boundary to the surface of the p-layer, characterized in that between an integrated emitter built into the p-layer and located outside of it by an auxiliary emitter created an annular metallized ohmic contact to the p-layer (control electrode) with a width of 0.5 mm to 1.5 mm.