Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

222 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

но в идеализированном случае симметричной структуры его зна-

чение можно оценить по формуле /

уд

«2,5/

вкл

1160). Вольт-

амперная характеристика тиристора в открытом состоянии при

I > /

уд

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 об-

разом, напряжение на открытом тиристоре близко к контакт-

ной 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, ха-

рактерных 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. форму-

лы (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 пара-

метрами их вольт-амперных характеристик и быстродействием.

Для дополнительного уменьшения падения напряжения на

«г-области» структуры в конструкцию современных высоковольт-

ных запираемых тиристоров добавляют еще одну область —

сильно легированный буферный п+-слой между областями pi

и nl (см. рис. 3.6). Это позволяет создать, не опасаясь про-

кола структуры, практически однородное электрическое поле

в слое nl закрытого тиристора при Уд > 0. При этом для получе-

ния заданного напряжения пробоя требуется меньшая толщина

слоя nl, 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

-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 напря-

жением 10 кВ база тиристора должна иметь концентрацию электронов

менее 10

см"

(удельное сопротивление >500 Ом-см) и толщину

не менее 1,2 мм. Попытка создания таких приборов показала, что

после нагрева Si до 1250-1300 °С для проведения диффузии происхо-

дит заметное снижение удельного сопротивления исходного материа-

ла [161], что препятствует созданию высоковольтных приборов. Этот

эффект особенно сильно выражен в кристаллах, выращенных по мето-

ду Чохральского, которые содержат высокую концентрацию остаточно-

го кислорода. Чтобы уменьшить влияние кислорода, в настоящее время

для создания высоковольтных тиристоров используют кремний, полу-

ченный бестигельной зонной плавкой, в котором концентрация кисло-

рода существенно ниже, но который часто содержит более высокую

концентрацию примесей, создающих глубокие уровни в запрещенной

зоне (прежде всего, Си и Аи). Нагревание этих кристаллов почти не из-

меняет удельное сопротивление, но приводит к заметному уменьшению

времени жизни дырок в n-области (до 1-10 мкс). Это вызывает столь

. сильное уменьшение диффузионной длины, что материал становится

практически непригодным для создания тиристоров.

Чтобы повысить время жизни, во время диффузии примеси на

поверхность кремния наносится слой геттера (добавка кобальта к ис-

точнику акцепторной примеси; использование фазы Ni-Co-P-Si 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 дырок до 150-400 мкс. После термообработки кристаллов при

400-800 °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 ти-

ристор в открытое состояние, а в запираемых тиристорах (см.

ниже) — также и в закрытое состояние. Подавая на управляю-

щий 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 след-

ствие возрастания протекающего через тиристор тока, увеличи-

вается и коэффициент усиления р-п-р-транзистора. В результате

этого, в соответствии с уравнением (ЗЛО), напряжение переклю-

чения тиристора уменьшается, а при некотором значении тока

управляющего электрода, называемом током спрямления, тири-

стор 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 (/

упр

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 элек-

трод можно пропускать лишь

в течение небольшого времени

(10-100 мкс). Через это время

описанная выше положительная

внутренняя обратная связь в ти-

ристоре 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 /

уд

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 отрица-

тельного смещения. Это решение используется в так называемых

запираемых тиристорах.

Основная проблема при создании запираемых тиристоров за-

ключается в том, что для выключения тиристора через управля-

ющий электрод необходимо пропускать большой ток, равный

упр

= /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 со-

здания многоячеечных структур с малыми размерами элемен-

тов (~100 мкм) и разветвленной структурой управляющего

3.1. Тиристоры

225

электрода появилась возможность выпускать мощные запирае-

мые тиристоры. Первые такие тиристоры, обозначаемые в зару-

бежной литературе аббревиатурой GTO (gate turn-off), появи-

лись в середине 70-х годов.

Особенностью работы тиристоров GTO является то, что из-за

конечного прикладываемого к управляющему электроду обрат-

ного напряжения (оно ограничено напряжением пробоя перехода

р2~п2, которое составляет ~20 В) и достаточно высокого со-

противления области р2 запирание перехода р2-п2 начинается

в местах, наиболее близко расположенных к выводам управляю-

щего электрода (см. рис. З.бд), и лишь затем фронт выключения

распространяется на всю площадь перехода. Наиболее крити-

ческим моментом при запирании тиристора является тот момент,

когда площадь области проводящего состояния становится очень

малой и плотность протекающего через нее тока резко возраста-

ет. Если при этом запирание происходит слишком медленно, то

возникает опасность сильного локального перегрева тиристора и

его выхода из строя. Для запирания перехода р2—п2 за 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 одновре-

менно, требуется, чтобы технологический разброс параметров

ячеек был мал. Для уменьшения падения напряжения на области

р2, при пропускании большого тока /

упр

, выводы управляюще-

го электрода делаются несколько «утопленными» (см. рис. 3.6).

К недостаткам тиристоров со структурой GTO следует отнести

необходимость подключения к тиристору специальных демпфи-

рующих схем (snubber), при работе которых возникают большие

непроизводительные потери энергии.

В середине 90-х годов разработчики фирм ABB Semicon-

ductors и Mitsubishi Electric предложили усовершенствованную

конструкцию запираемых тиристоров, названную GCT (gate-

commutated 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 обеспече-

ния высокой скорости нарастания тока управляющего электрода

(до 4-6 кА/мкс) используется специальная низкоиндуктивная

А.И. Лебедев

226 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

катод обедненный

> слой

'у.э.

ток катода

ток

ток анода

ток

| I nf I р

I ГС**

анод

у.э.

катод обедненный

v слой

гт*-

у.э.

ток

Я*-

ток анода

4-1-

ток

п+1 р+ | п

| р

I пУ

анод

Рис. 3.6. Устройство одной ячейки запираемых тиристоров со структурой GTO

(а) и GCT (б)

конструкция корпуса тиристора и низкоиндуктивная цепь фор-

мирователя импульсов управления; эти два блока часто объеди-

няются 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 использова-

нии 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 управ-

ления 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 положи-

тельной 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

^20 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

л fi Лшунт

управляющим

электрод

управл.

электрод

катодный

контакт

закороченны?

катод

/62

| /б| = /

анод

Рис. 3.7, Тиристор с закороченным катодом: а — конструкция-тиристора

его эквивалентная схема

Конструкция и эквивалентная схема тиристора с закорочен-

ным катодом показаны на рис. 3.7. Тиристоры, рассчитанные на

работу с большими токами, традиционно изготавливаются в фор-

ме тонких пластин, которые одной стороной (анодом) напаивают-

ся 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-

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, про-

текающий через структуру, утекает через этот резистор, остав-

ляя 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

(У

)аз = 1.

Очень важно, что структура с закороченным катодом позво-

ляет также повысить и максимальную рабочую температуру ти-

ристора, 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\, см. рис. 3.6).

Защита тиристоров от пробоя. При создании высоко-

вольтных тиристоров необходимо иметь в виду, что из-за су-

ществования встроенного заряда в слое окисла на поверхности

полупроводника или за-

грязнения поверхности

ионами вблизи места

выхода р-п-перехода на

поверхность возникает

изгиб границ области

пространственного заряда.

При этом напряженность

электрического поля на по-

верхности может оказаться

выше, чем в объеме полу-

проводника, и при высоком

обратном напряжении на

р-п-переходе может воз-

никнуть поверхностный

пробой. Поверхностный

пробой более опасен для

Рис. 3.8. Изгиб границ области простран-

ственного заряда вблизи наклонной гра-

ницы раздела: а — положительная фаска,

б — отрицательная фаска [162]. J — ме-

таллургическая граница р-п-перехода

3.1. Тиристоры

229

полупроводникового прибора по сравнению с объемным пробоем,

поскольку энергия, которая при поверхностном пробое выделяет-

ся в очень тонком приповерхностном слое, легко выводит прибор

из строя.

Одним из способом уменьшения поверхностной напряженно-

сти электрического поля является создание фасок, то есть при-

дание 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

). 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

и возникает изгиб границ, в результате которого суммарный

заряд в области пространственного заряда становится равным

нулю. Предсказываемое расчетом более сильное смещение гра-

ницы 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

в средней части прибора.

В структурах с отрицательной фаской ситуация несколько

сложнее. Выбирая малое значение угла фаски ф, в этих структу-

рах также можно добиться уменьшения напряженности электри-

ческого поля на поверхности. Однако решение уравнения Пуас-

сона показывает, что максимум напряженности электрического

поля в этом случае находится на некотором расстоянии от по-

верхности 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 сере-

дине 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 ли-

тературе 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 боль-

шой непроизводительной потерей площади структуры. Этого

недостатка нет во второй конструкции тиристора, в которой обе

фаски положительны. К сожалению, создание таких приборов за-

труднено 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 огра-

ничимся 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 полупро-

водника в р-п-переходах могут возникать локальные области

с более высокой напряженностью электрического поля, в ко-

торых 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 легирование — явление образования в полу-

проводнике легирующих примесей под воздействием проникающей ра-

диации — было обнаружено Ларк-Горовицем с сотр. в 1948 г. При

захвате нейтронов, дейтронов или альфа-частиц ядрами атомов, из

которых состоит полупроводник, происходят ядерные превращения

(трансмутации), в результате которых могут возникать атомы легиру-

ющих примесей. Например, при облучении нейтронами естественной

смеси изотопов Ge в нем образуются изотопы легирующих примесей

Ga,

As и

Se [166]. При трансмутационном легировании кремния

единственной реакцией, приводящей к появлению легирующей при-

меси, является реакция

Si(n,7)-^

Si(/?-)-^

P с периодом полурас-

3.1. Тиристоры

231

пада промежуточного изотопа

Si, равным 2,62 часа. Малое сече-

ние захвата нейтронов кремнием (коэффициент поглощения составляет

0,008 см

-1

) гарантирует высокую однородность легирования толстых

образцов кремния (изменение концентрации фосфора на 1 % на рассто-

Рис. 3.9. Поперечное сечение двух конструкций высоковольтного тиристора

с фасками. Штриховыми линиями показаны границы области пространственно-

го заряда в закрытом тиристоре при положительном напряжении на аноде (52)

Хотя подавляющее большинство тиристоров в настоящее вре-

мя изготавливается из кремния, все большее внимание иссле-

дователей обращается к SiC. Этот материал имеет теплопровод-

ность, которая в 3 раза выше теплопроводности Si и даже пре-

вышает 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 со-

храняют работоспособность до 350 °С. Широкому использованию

карбида кремния мешают пока еще высокая плотность дефектов

(2 см"

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 со-

стояние необходимо, чтобы инжектируемые переходами р\-п\

и р2-п2 электроны и дырки успевали пройти всю структуру и ре-

ализовали заложенную в конструкции прибора положительную

обратную связь. Однако поскольку мы имеем дело со сравни-

тельно медленными процессами диффузии и довольно толстыми

областями п

и р2, то переходные процессы, связанные с вклю-

чением тиристора, протекают сравнительно медленно. Характер-

ные времена диффузии носителей через базы соответствующих

транзисторов составляют

. янии 50 мм) [14, 108, 165].

(3.11)