222 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры
но в идеализированном случае симметричной структуры его зна-
чение можно оценить по
формуле
/ у д « 2 , 5 / в к л
1160). Вольт-
амперная характеристика
тиристора
в открытом
состоянии
при
I > / у д практически совпадает с вольт-амперной
характеристи-
кой р-г-n-диода (см. п. 1.2.4), поскольку концентрация
ин-
жектируемых в области
nl и р2 («г-область»)
носителей
пре-
вышает концентрацию находящихся
там легирующих примесей
и реализуются условия высокого уровня инжекции. Таким образом, напряжение на открытом тиристоре близко к контактной разности потенциалов в р-п-переходе, а при увеличении
тока
оно несколько
возрастает из-за
падения
напряжения
на
«г-области» структуры, сопротивлении
толщи
областей pi
и
п2 и
сопротивлении
контактов. Расчет
падения
напряжения
на
«г-области» структуры представляет собой отдельную довольно сложную задачу, поскольку при высоких плотностях тока, характерных для тиристоров, существенную роль играют эффекты взаимного рассеяния электронов и дырок и Оже-рекомбинация (см. с. 39).
Для получения низкого падения напряжения на «г-области» структуры, как следует из теории p-i-n-диода (см. формулы (1.64) и (1.65)), необходимо, чтобы диффузионная длина была сравнима с толщиной базы. Для этого в тиристорах стараются использовать полупроводники с большим временем жизни. Однако выбрав такой материал, оказывается трудно достигнуть высокого быстродействия тиристора. Поэтому при разработке тиристоров всегда приходится искать компромисс между параметрами их вольт-амперных характеристик и быстродействием.
Для дополнительного уменьшения падения напряжения на «г-области» структуры в конструкцию современных высоковольтных запираемых тиристоров добавляют еще одну область —
сильно легированный буферный п+-слой
между областями p i
и n l
(см. рис. 3.6). Это позволяет создать, не опасаясь
про-
кола
структуры, практически однородное
электрическое
поле
в слое n l закрытого тиристора при Уд > 0. При этом для получе-
ния заданного напряжения пробоя требуется меньшая
толщина
слоя n l , что, в соответствии с формулами
(1.64) и (1.65), сразу
же
приводит
к заметному
уменьшению
падения
напряжения
на
«г-области»
структуры.
Недостатком структур
с
буферным
п+ -слоем является невысокое напряжение
пробоя
при Уд. < 0,
и поэтому их использование ограничивается работой при одной полярности приложенного напряжения.
3.1. Тиристоры
223
При разработке высоковольтных тиристоров исследователи
столк-
нулись с рядом серьезных проблем. Для приборов с рабочим напряжением 10 кВ база тиристора должна иметь концентрацию электронов менее 101 3 см"3 (удельное сопротивление > 5 0 0 Ом-см) и толщину не менее 1,2 мм. Попытка создания таких приборов показала, что
после нагрева Si до 1 2 5 0 - 1 3 0 0
°С для
проведения диффузии
происхо-
дит
заметное
с н и ж е н и е
у д е л ь н о г о
сопротивления исходного
материа-
ла
[161],
что
препятствует с о з д а н и ю
высоковольтных
приборов. Этот
эффект особенно сильно
в ы р а ж е н в
к р и с т а л л а х , выращенных по мето-
ду Чохральского, которые с о д е р ж а т
в ы с о к у ю к о н ц е н т р а ц и ю остаточно-
го кислорода. Чтобы у м е н ь ш и т ь
в л и я н и е кислорода, в н а с т о я щ е е
время
для
создания
в ы с о к о в о л ь т н ы х тиристоров и с п о л ь з у ю т
к р е м н и й ,
полу-
ченный б е с т и г е л ь н о й
зонной
плавкой, в котором к о н ц е н т р а ц и я
кисло -
рода с у щ е с т в е н н о н и ж е ,
но
который
часто с о д е р ж и т
более
в ы с о к у ю
концентрацию примесей,
с о з д а ю щ и х
г л у б о к и е
у р о в н и
в з а п р е щ е н н о й
зоне ( п р е ж д е
всего, Си и Аи) . Н а г р е в а н и е э т и х
к р и с т а л л о в
почти
не
из-
меняет у д е л ь н о е
сопротивление,
но
приводит к з а м е т н о м у
у м е н ь ш е н и ю
времени ж и з н и
д ы р о к
в n - о б л а с т и
(до
1-10мкс). Э т о
в ы з ы в а е т
с т о л ь
. сильное у м е н ь ш е н и е
д и ф ф у з и о н н о й
д л и н ы , что м а т е р и а л
становится
п р а к т и ч е с к и
непригодным д л я с о з д а н и я
тиристоров .
Чтобы
повысить
время
ж и з н и ,
во
в р е м я д и ф ф у з и и
п р и м е с и
на
поверхность к р е м н и я
наносится
слой
геттера (добавка
к о б а л ь т а к ис-
точнику акцепторной
примеси;
использование
фазы N i - C o - P - S i
или
фосфорно-силикатного стекла в качестве источника донорной приме-
си). Геттер «вытягивает» на поверхность и связывает быстро диффун-
дирующие в Si атомы меди и золота и позволяет увеличить время
жизни д ы р о к до 1 5 0 - 4 0 0 мкс. После термообработки
кристаллов при
4 0 0 - 8 0 0 °С (во время создания контактов и припайки
вольфрамового
термокомпенсатора) время жизни дырок дополнительно увеличивается до ~800 мкс.
Роль управляющего электрода. Наличие управляющего электрода у тиристора позволяет целенаправленно изменять его *ольт-амперные характеристики и, в частности, переводить тиристор в открытое состояние, а в запираемых тиристорах (см. ниже) — также и в закрытое состояние. Подавая на управляющий электрод смещение, которое открывает переход р2-п2(см. рис. 3.1), мы тем самым вызываем увеличение коэффициента усиления п-р-п-транзистора. Одновременно с этим, как следствие возрастания протекающего через тиристор тока, увеличивается и коэффициент усиления р-п-р-транзистора. В результате этого, в соответствии с уравнением (ЗЛО), напряжение переключения тиристора уменьшается, а при некотором значении тока управляющего электрода, называемом током спрямления, тиристор переходит в открытое состояние при любых положитель* НЫХ напряжениях на аноде (на вольт-амперной характеристике
224
Гл. 3, Тиристоры и другие многослойные
структуры
Рис, 3.5. Семейство вольт-ампер-
ных
характеристик
тиристора
при
различных значениях тока
управляющего электрода
( / у п р 2 >
> 1УПОЛ > 0)
исчезает
5-образный
участок,
см. рис. 3.5).
Если
при
работе
тиристо-
ра
его
анодный ток
в откры-
том
состоянии
будет превышать
•Гуд> то для включения
тиристо-
ра ток через управляющий электрод можно пропускать лишь в течение небольшого времени (10-100 мкс). Через это время описанная выше положительная внутренняя обратная связь в тиристоре включается, и необходи-
мые для поддержания
тиристора
в
открытом
состоянии носители
обоих типов
генерируются уже
в
самом приборе.
Параметры,
определяющие время
включения
тиристора, мы обсудим в п. 3.1.2.
Запираемые тиристоры.
Выключение тиристора обычно происходит при уменьшении тока анода ниже / у д или при подаче на анод отрицательного напряжения. Поэтому наиболее удобно использовать тиристоры в цепях переменного тока. При необходимости их применения в цепях постоянного тока особенности выключения тиристоров требуют создания сложных схем коммутации с импульсной подачей отрицательного напряжения на анод тиристора [160]. Однако в принципе тиристор может быть переведен в закрытое состояние и путем подачи на управляющий электрод отрицательного смещения. Это решение используется в так называемых
запираемых тиристорах.
Основная проблема при создании запираемых тиристоров заключается в том, что для выключения тиристора через управляющий электрод необходимо пропускать большой ток, равный
/ у п р = / а •
+ ocn -
1)/<*л'.
который обычно составляет
20 - 40%
от тока анода /д (162).
Из-за трудности получения низкого сопротивления области р2 выпуск запираемых тиристоров долгое время ограничивался маломощными приборами. Только с развитием технологии создания многоячеечных структур с малыми размерами элементов (~100 мкм) и разветвленной структурой управляющего
3.1. Тиристоры
225
электрода появилась возможность выпускать мощные запирае- мые тиристоры. Первые такие тиристоры, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой GTO (gate turn-off), появились в середине 70-х годов.
Особенностью работы тиристоров GTO является то, что из-за конечного прикладываемого к управляющему электроду обратного напряжения (оно ограничено напряжением пробоя перехода
р2~п2, которое составляет ~ 2 0 В)
и достаточно высокого со-
противления области р2 запирание
перехода р2-п2 начинается
в местах, наиболее близко расположенных к выводам управляющего электрода (см. рис. З.бд), и лишь затем фронт выключения распространяется на всю площадь перехода. Наиболее критическим моментом при запирании тиристора является тот момент, когда площадь области проводящего состояния становится очень малой и плотность протекающего через нее тока резко возрастает. Если при этом запирание происходит слишком медленно, то возникает опасность сильного локального перегрева тиристора и его выхода из строя. Для запирания перехода р2—п2за 1 мкс при характерной скорости движения фронта 50 мкм/мкс ширина ячейки не должна превышать 100 мкм. Из этого с очевидностью следует, что мощные запираемые тиристоры можно создавать лишь в виде многоячеечных структур. Поскольку выключение всех ячеек в таких структурах должно происходить одновременно, требуется, чтобы технологический разброс параметров ячеек был мал. Для уменьшения падения напряжения на области
р2, при пропускании большого тока / у п р ,
выводы
управляюще-
го электрода делаются несколько «утопленными»
(см. рис. 3.6).
К недостаткам тиристоров со структурой
GTO следует отнести
необходимость подключения к тиристору специальных демпфирующих схем (snubber), при работе которых возникают большие непроизводительные потери энергии.
В середине 90-х годов разработчики фирм ABB Semiconductors и Mitsubishi Electric предложили усовершенствованную конструкцию запираемых тиристоров, названную GCT (gatecommutated turn-off) [163]. Основная идея этой конструкции состоит в том, чтобы подав отрицательный импульс напряже-
ния на управляющий электрод, перенаправить
весь анодный
ток на этот электрод (см. рис. 3.66).
При этом
отрицательное
смещение на управляющем электроде
закрывает
переход р2 -
п2, тиристор превращается в р-п-р-транзистор с оборванной базой и быстро переходит в закрытое состояние. Для обеспечения высокой скорости нарастания тока управляющего электрода (до 4 - 6 кА/мкс) используется специальная низкоиндуктивная
8 А.И. Лебедев
226
Гл. 3. Тиристоры и другие
многослойные
структуры
катод
обедненный
катод
обедненный
> слой
v слой
' у . э .
у.э.
у.э.
гт*-
ток
катода
ток
ток
ток
ток
п
R
п
ток
анода
ток
анода
Я*-
4
-
1
-
п+ |
I
nf I р+ I ГС**
п+1 р+
|
п 4
| р + I пУ
I
I
анод
анод
а
б
Рис. 3.6. Устройство одной ячейки запираемых тиристоров со структурой GTO
(а) и GCT (б)
конструкция корпуса тиристора и низкоиндуктивная цепь формирователя импульсов управления; эти два блока часто объединяются в единую конструкцию, называемую GCT с интегри- рованным блоком управления (IGCT). Намного более простая конструкция блока управления тиристорами GCT по сравнению с тиристорами GTO и отсутствие необходимости в использовании демпфирующих схем позволяют существенно снизить потери и повысить общий к.п.д. устройства преобразования.
Работа еще одной управляемой сильноточной многослойной структуры IGBT, в которой используется полевой способ управления прибором, будет рассмотрена в п. 4.1.7.
Тиристоры с закороченным
катодом. Говоря
о вольт-
амперной характеристике тиристора, необходимо
отметить
одну специфическую особенность тиристоров — возможность их открывания быстро нарастающим импульсом напряжения, подаваемым на анод [159]. Причиной этого является протекание в структуре тока заряда барьерной емкости обратно смещенного перехода п\-р2.Этот ток, суммируясь с током утечки тиристора, приоткрывает транзисторы, вызывает увеличение их коэффициентов усиления и при выполнении условия (3.10) приводит к включению описанного выше механизма положительной обратной связи, которая и переводит тиристор в открытое
3.1.
Тиристоры
227
состояние.
Характерная
скорость
нарастания
напряжения
на аноде
dV^/dt,
приводящая
к этому явлению,
составляет
^ 2 0 В/мкс. Очевидно,
что
эта
особенность
тиристоров,
которая может
приводить
к
неконтролируемому
открыванию
тиристора при попадании на его анод выбросов напряжения, крайне нежелательна, и поэтому Олдрич и Холоньяк решили
модифицировать
конструкцию тиристора, предложив тиристор
с закороченным
катодом [164].
катод
шунт
Лшунтл
Ifi1
электродуправл. а
/62
управляющим
катодный
H i
электрод
контакт
| /б| = /к2
закороченны?
U
катод
о
анод
а
катодом: а — конструкция-тиристора б
Рис. 3.7, Тиристор с закороченным
его эквивалентная схема
Конструкция и эквивалентная схема тиристора с закороченным катодом показаны на рис. 3.7. Тиристоры, рассчитанные на работу с большими токами, традиционно изготавливаются в форме тонких пластин, которые одной стороной (анодом) напаиваются на диск из Мо или W (термокомпенсатор); с другой стороны на поверхности пластины располагаются кольцеобразный вывод катода и вывод управляющего электрода в центре. Особенностью конструкции тиристора с закороченным катодом является то, что при изготовлении контакта к катоду размер контактной
площадки
делается
несколько
больше размера
области п2,
и в
некоторых
местах эта область
оказывается
электриче-
ски
соединенной
с областью
р2 управляющего
электрода.
При
этом
в
эквивалентной
схеме
эмиттерный
переход
тг-р-п-транзистора
оказывается
зашунтированным
сопротивле-
8 *
228
Г/I. 3. Тиристоры и другие
многослойные
структуры
нием
7?шунт (см. рис. 3.76), и
при подаче на
анод тиристора
быстро нарастающего импульса напряжения емкостный ток, протекающий через структуру, утекает через этот резистор, оставляя п-р-п-транзистор закрытым. Использование закороченного катода позволяет сделать тиристоры устойчивыми по отношению к подаче на анод импульсов напряжения, нарастающих со скоростью до 500-3000 В/мкс. Поскольку коэффициент усиления
транзистора
с зашунтированным эмиттерным переходом близок
к
нулю, то
условием переключения тиристора, которое следует
из
формулы (3.10), в этом случае становится равенство
Мр (У2 )аз =
1.
Очень важно, что структура с закороченным катодом позволяет также повысить и максимальную рабочую температуру тиристора, так как ток утечки закрытого тиристора, возрастающий с увеличением температуры, стекает через шунт и не позволяет п-р-п-транзистору открыться.
Структура, аналогичная описанной выше, используется и в запираемых тиристорах. Однако поскольку в этих тиристорах
переход
р2-п2
используется для запирания тиристора, в них
шунтируется не
катодная, а анодная часть структуры (переход
р\-п\,
с м . р и с .
3 . 6 ) .
Защита тиристоров от пробоя. При создании высоковольтных тиристоров необходимо иметь в виду, что из-за существования встроенного заряда в слое окисла на поверхности
Рис. 3.8. Изгиб границ области пространственного заряда вблизи наклонной границы раздела: а — положительная фаска, б — отрицательная фаска [162]. J — металлургическая граница р-п-перехода
полупроводника или загрязнения поверхности ионами вблизи места выхода р-п-перехода на поверхность возникает изгиб границ области пространственного заряда. При этом напряженность электрического поля на поверхности может оказаться выше, чем в объеме полупроводника, и при высоком обратном напряжении на р-п-переходе может возникнуть поверхностный пробой. Поверхностный пробой более опасен для
3.1. Тиристоры
229
полупроводникового прибора по сравнению с объемным
пробоем,
поскольку энергия, которая при поверхностном пробое выделяется в очень тонком приповерхностном слое, легко выводит прибор из строя.
Одним из способом уменьшения поверхностной напряженности электрического поля является создание фасок, то есть придание боковой поверхности прибора в месте выхода р-п-перехода наклонной (конической) формы (14, 160, 162). Результаты чис-
ленного
решения двумерного уравнения
Пуассона для структур
с фасками приведены на рис. 3.8. На
рис. 3.8 а
показан изгиб
границ
области пространственного заряда для
положительной
фаски 1). Появление этого изгиба связано с тем, что р-п-переход в целом должен оставаться нейтральным, а объемы, занимаемые ионизованными донорами и акцепторами, при плоских границах области пространственного заряда и наклонной боковой границе
р-п-перехода различны. Для компенсации этой разницы объемов
ивозникает изгиб границ, в результате которого суммарный заряд в области пространственного заряда становится равным нулю. Предсказываемое расчетом более сильное смещение границы области пространственного заряда в слабо легированной части структуры с положительной фаской гарантирует пониже-
ние напряженности электрического поля по мере приближения к поверхности, и поэтому пробой в таких структурах начинается
всредней части прибора.
Вструктурах с отрицательной фаской ситуация несколько сложнее. Выбирая малое значение угла фаски ф, в этих структурах также можно добиться уменьшения напряженности электрического поля на поверхности. Однако решение уравнения Пуассона показывает, что максимум напряженности электрического поля в этом случае находится на некотором расстоянии от поверхности в объеме структуры (пунктирная линия на рис. 3.86). Максимальное значение напряженности электрического поля в этой области может на 5 - 25% превышать ее значение в середине структуры. Хотя пробой структур с отрицательной фаской происходит при более низких напряжениях по сравнению со структурами с положительной фаской, он все же идет в объеме
') Положительный знак угла фаски приписывается фаске, для которой площадь поперечного сечения прибора уменьшается при переходе от сильно легированной к слабо легированной области структуры. В отечественной литературе для обозначения знака угла фаски используются термины «прямая» и «обратная» фаски, соответствующие отрицательной и положительной фас-
кам.
230
Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные
структуры
прибора
и, следовательно,
не так опасен,
как
поверхностный
пробой.
На
рис. 3.9 показано
поперечное сечение
двух конструк-
ций высоковольтных тиристоров с фасками. В первой из них используются положительная и отрицательная фаски, однако из-за того, что отрицательная фаска должна иметь достаточно малый угол, эта конструкция тиристора характеризуется большой непроизводительной потерей площади структуры. Этого недостатка нет во второй конструкции тиристора, в которой обе фаски положительны. К сожалению, создание таких приборов затруднено сложностью формирования профилированной боковой поверхности в достаточно тонкой пластине.
В приборах с планарной геометрией для защиты р - п - переходов от поверхностного пробоя используется целый ряд других приемов (полевые обкладки, охранные и ограничительные кольца), которые подробно описаны в книге [160]. Эти приемы уменьшения поверхностной напряженности электрического поля широко используются не только при создании тиристоров, но также и при создании мощных диодов и транзисторов. Мы ограничимся здесь лишь упоминанием об этих приемах, поскольку они используются в приборах, работающих при напряжениях до нескольких киловольт, а более высокие рабочие напряжения (до 12 кВ) получаются только при использовании фасок.
Как мы отмечали на с. 54, из-за неоднородности полупроводника в р-п-переходах могут возникать локальные области с более высокой напряженностью электрического поля, в которых и будет в первую очередь возникать лавинный пробой. Для тиристоров большой площади, изготавливаемых из целых пластин кремния диаметром 100-150 мм, проблема однородности полупроводника становится особо острой. Поэтому при создании таких тиристоров используется особо однородно легированный
кремний, полученный трансмутационным
легированием
[165].
Трансмутационное л е г и р о в а н и е —
я в л е н и е
о б р а з о в а н и я
в полу-
проводнике легирующих примесей под воздействием п р о н и к а ю щ е й
ра-
диации
— было
обнаружено Ларк - Горовицем с
сотр. в
1948
г.
П р и
захвате
нейтронов, дейтронов или
а л ь ф а - ч а с т и ц
я д р а м и
атомов,
из
которых
состоит
полупроводник,
происходят
ядерные
п р е в р а щ е н и я
(трансмутации),
в результате
которых
могут
в о з н и к а т ь атомы
легиру -
ю щ и х
примесей. Н а п р и м е р ,
при облучении
н е й т р о н а м и
естественной
смеси
изотопов Ge в нем о б р а з у ю т с я
изотопы
л е г и р у ю щ и х примесей
71Ga, 75As и 77Se
[166]. При
т р а н с м у т а ц и о н н о м
л е г и р о в а н и и
к р е м н и я
единственной
реакцией, п р и в о д я щ е й
к п о я в л е н и ю
л е г и р у ю щ е й
при-
меси,
является
реакция 3 0 S i ( n , 7 ) - ^ 3 1 S i ( / ? - ) - ^ 3 1 P
с
периодом
полурас -
3.1. Тиристоры
231
пада
п р о м е ж у т о ч н о г о
и з о т о п а 3 1 Si, р а в н ы м
2 , 6 2 ч а с а .
М а л о е сече -
ние з а х в а т а
нейтронов
к р е м н и е м ( к о э ф ф и ц и е н т п о г л о щ е н и я
с о с т а в л я е т
0 , 0 0 8
с м - 1 )
г а р а н т и р у е т в ы с о к у ю однородность л е г и р о в а н и я
т о л с т ы х
о б р а з ц о в
к р е м н и я
( и з м е н е н и е к о н ц е н т р а ц и и
ф о с ф о р а на
1 %
на
рассто -
. янии
5 0
мм)
[14,
108,
165].
Рис. 3.9. Поперечное сечение двух конструкций высоковольтного тиристора с фасками. Штриховыми линиями показаны границы области пространственного заряда в закрытом тиристоре при положительном напряжении на аноде (52)
Хотя подавляющее большинство тиристоров в настоящее время изготавливается из кремния, все большее внимание исследователей обращается к SiC. Этот материал имеет теплопроводность, которая в 3 раза выше теплопроводности Si и даже превышает теплопроводность меди. Напряженность поля лавинного пробоя в карбиде кремния в 10 раз выше, чем в кремнии, и, наконец, р-п-переходы из SiC способны работать при высоких температурах. В настоящее время уже выпускаются тиристоры из SiC на ток до 250 А и напряжение до 4500 В. Эти приборы сохраняют работоспособность до 350 °С. Широкому использованию карбида кремния мешают пока еще высокая плотность дефектов (2 см"2 на пластинах диаметром 75 мм) и высокая стоимость.
3.1.2. Процессы включения и выключения тиристора.
Как мы уже говорили, для перехода тиристора в открытое состояние необходимо, чтобы инжектируемые переходами р\-п\и р2-п2 электроны и дырки успевали пройти всю структуру и реализовали заложенную в конструкции прибора положительную обратную связь. Однако поскольку мы имеем дело со сравнительно медленными процессами диффузии и довольно толстыми областями п 1 и р2, то переходные процессы, связанные с включением тиристора, протекают сравнительно медленно. Характерные времена диффузии носителей через базы соответствующих транзисторов составляют
