Способ переключения полупроводникового прибора

Способ переключения полупроводникового прибора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Ц!., ! б

- с -;, пи т» (»

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союэ Советскими

Соцнапнстнческнк

Республик (!!>730227

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 301078 (21) 2б 78407/18-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) ПриоритетОпубликовано 07.10.82. Бюллетень № 37 (513M.Кп з

Н 01 1: 31/16

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (533 УДК б21. 382 (088. 8) -Дата опубл!1ковання описания 03. 02.83

И.В. Грехов, B.Ã. Сергеев, М.Е. Левинштейн, И.Г. Чашников, В.И. Волле, В.Б. Воронков и И.Н. ЯссиЕвич (72) Лвторы изобретения (71) Заявитель

Физико-технический институт им. A.Ô. Иоффе (54 ) СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ПРИБОРЛ

Изобретение относится к области мощных полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании мощных коммутаторов наносекундного диапазона.

Широко известен способ переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим рп -переходом, например тиристора и транзистора, у которых блокирующий коллекторный(!и -переход образован узким сильнолегированным слоем р-типа J! широкой слаболегированной базой п-типа, заключающийся в том, что переключение из блокирующего в проводящее состояние производят путем освещения при- бора импульсом света, направленным .перпендикулярно коллекторному ри -переходу со стороны сильнолегированного слоя 1 . Длина волны света обычно,выбирается такой, чтобы практически весь свет поглощался в узком сильнолегированном слое. В этом случае весь фототок в тиристоре, например, является. управляющим током со.ставлякт!!его транзистора с узкой базой. Поэтому для инициирования переключения требуется очень малая энергяя светового импульса, но сам процесс переключения, т.е. процесс заполнения. электронно-дырочной плазмой широкой слаболегированной базы, осуществляется сравнительно медленным процессом диффузии плазмы, инжектированной эмиттерными слоями.

Наиболее близким известным способом переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим рп-переходом из запирающего в проводящее состояние путем освещения прибора импульсом света, направленным перпендикулярно блокирующему !! -переходу со стороны сильно легированной узкой базы и обеспечивающим генерацию больмого количества носителей, достаточного для непосредственной модуляции слаболегированной базы 1.2 ).

Этот способ обеспечивает быстрое переключение,т.е. заполнение слаболегн рованной базовой области злектрсннодырочной плазмой, практически со скоростьв нарастания импульса света . Допустимая величина коммутируемого тока и скорость его нарастания могут быть очень велики, поскольку импульс света обеспечивает одновременное переключение прибора на большой. площади.

Однако освещение прибора со стороны сильнолегированной узкой базы приводит к потере света вследствие не730227 фотоантинного поглощения на п,,i. оси п этой с.азе и усиления::.оглощення н обласгн сильного tiþJiÿ урн -перехода

Гэффект Франца-Келдыша). Это приводит к ослаблению модуляции слаболегированной баэоной области, затягивает 5 процесс переключения и увеличивает коммутационные потери.

U,eëb изобретения — ускорение процесса переключения и уменьшение коммутационных потерь. - 10

Цель достигается тем, что переход,,оснсщают со стороны слаболегированной области снетоным потоком, соотнетстнующим условию о (Л) W - 1-2, причем интенсивность излучения создает ми нимальную концентрацию носителей эа15 ряда н слаболегиронанной области ме нее 10 с cM и не более 5 ° 10 ем в момент окончания импульса света, где с((A)- коэФфициент поглощения света длиной волны ) в материале слаболеги- >0 ронанной области; W — толщина этой области, равная ширине области пространств :нного заряда при приложении полного блокнруемого напряжения.

Na фиг, 1 схематично изображена 25 тиристорная р+ Npn — структура, переключаемая по предлагаемому способу; на фиг. 2 — 4 — осциллограммы процес а спада напряжения при переключении полу11ронопниконого прибора. 30

Nà rõåèå даны р ири+ - структура 1, фото фиел ное окно 2, металлический токоотнопящий контакт 3, термокоми=.: нс а тор 4 .

Для освещения со стороны слаболе- 35 гиронанной бaýû н p+ -слое имеются окна 2, янляющиеся фотоприемными пло.щапками, вокруг которых расположен

p+ -cJioA fIoRphITEJA токоотнодящим кон тактом 3, ныполненным, например, из 40 мягкого легкоплавкого металла (олово, индий и т.п.). Диаметр 4 фотоприемного окна выбирается не более толщины широкой базы для того, чтобы напряженность поля создаваемого то- 45 ком, текущим к металлическому контакту, не была слишком большой. Расстояние между центрами фотоприемных площадок = 2 4 выбрано так, чтобы площадь кольца, окружающего каждую площадку, равнялось площади самой пло50 щадки это обеспечивает примерно равную плотность тока н приборе как под фотоприемной площадкой, так и под металлическим контактом. Центры фотоприемных площадок являются вершинами ранносторанних треугольников со стороной, что обеспечивает наиЛУчшее использование площади прибора. Аналогичное конструктинное выполнение имеет диодная р+ рпп+ и транзисторная 60 и+ рл и+ струк туры; фотоприемные площадки н этих структурах являются окнами, в которых слабо легированная

И -база ныходит к пОверХнОСтИ сКнОэь сильнолегиронанный И -cJtoP. 65

Согласно предлагаемому способу,оснещенив описанных выше структур произ

J водят со стороны слаболегированного базового слоя, что позноляе. устранить потери света, связанные с нефотоактивным поглощением па примесях н сильнолегиронанном слое и усиленным поглощением н области сильного поля у ри -перехода (эффект Франца-Келдыша) .

В слаболегиронанном слое интенсинность света падает по закону

I (х) - I екр 5 -o. (4) 3

0 а концентрация генерируем-:ix светом носителей — по закону

Н(х) - К„Екр(-с((Л).x j, где с((Л) — коэффициент поглощения в материале освещаемого слоя, зависящий от длины волны;

t интенсивность освещения на поо верхности. и — поверхностная концентрация ге4 нерируемых светом носителей. Длину волны света выбирают из условия (Д W 1-2, где W = толщина слаболе. гиронанного слоя; при ныполнении этого условия основная часть света поглощается в слаболе-.иронанном слое, ° а концентрация у освещаемой и противоположной поверхностей отличаются не более, чем н 3-10 раз. Размер И выбирается ранным ширине области пространстненного заряда при полном блокируемом напри нении Ч иэ соотношения

/2f V

qN где Е и N; диэлектрическая прониD цаемость и концентрация легирующей примеси материала;

q — заряд электрона.

Такой выбор W обеспечивает нозмож ность получения малого остаточного напряжения н освещенном состоянии при большой величине блокируемого напряжения н неосвещенном состоянии.

Интенсивность излучения 1О ныбиравт из соотношения N(W) С (с ЕХр (-с(.(Л,) W) так, чтобы 10 см-Зс N (W) < 5 10сВ см-Ь, т.е., чтобы с одной стороны, обеспечить достаточно глубокую модуляцию проводимОсти слаболегиронанной области по всей толщине, с другой - избежать излишних потерь света, обусловленных Оже-рекомбинацией. Как известно, при концентрации N > 5 10 с4 время жизни носителей в большинстве практически важных полупроводников становится порядка единиц - сотен наносекунд, и, следонат JibHo дальнейшее увеличение концентрации может быть достигнуто только за счет не оправданно большого увеличения интенсинности света. Кроме того, при плотности излучения света, соответствую730227

Формула изобретения щей 5 ° 10« - 16 > см-3воэникают явле ння деградации поверхности полупро.> нодников. Если материалом слаболеги,рованного слоя является кремний, то наиболее удобным источником света будет ниодимовый лазер с А= 1,06 мкМ.

При этом Х -10 см и, из соотношения

/LE 1, Ч Q мм и полное блокируемое напряжение V = 9.10 В при К,=

-Э

9 ° 10" см Предельная величина коммутируемого тока может быть очень велика, поскольку все фотоприемные площадки коммутируются строго одновременно, и поэтому количество одновременно коммутируемых площадок ограничйвается, в принципе, лишь мощностью источника света.

Простейшей структурой, которую можно переключать предлагаемым способом, является р» Ип+ -диод. Однако, в этом случае предельная длительность импульса тока в цепи и величина остаточного напряжения определяются количеством носителей; созданных импульсом света. Более перспективными ,структурами для переключателя являются транзисторная (И+ рйи ),и тиристоРная (и+рир» или +Рин р+ ), н которых при протекании импульса тока . осуществляется -введение в слаболегированную область дополнительно к носи телям, созданным светом, еще и носителей, инжектируемых прямосмещенными змиттерными переходами и быстро затягиваемых полем вглубь баЗовой области.

На фиг. 2 - 4 приведены осциллограммы процесса спада напряжения при переключении диодной (фиг, 2) и тиристорной (фиг. 3) структур, переключаемых согласно предлагаемому способу (кривые 5 и 7) И по способу, являющемся прототипом (кривые 6 и 8).

Структуры переключались импульсом ниодимового лазера от блокируемого напряжения 1400 В в цепи с активной нагрузкой, максимальная плотность тока 20 кА/см . в момент времени, отмеченный пунктиром (фиг, 4). Хорошо видно, что при переключении согласно предлагаемому способу, коммутация осуществляется в 1,5-2 раза быстрее, а остаточное напряжение в 2-3 раза .меньше. (Форма имп уьсов тока ука зана пунктиром, лазерного импульсаштрихпунктиром 9). В данном опыте ((А) Ы 1,05. Концентрация созданных светом носителей в момент окончания импульса света составляет

10" см

Таким образом дачный способ переключения полупроводниковых приборов

1О позволяет повысить скорость коммутации в 1,5-2 раза, снизить остаточное напряжение в 2-3 раза, что открывает для него широкую перспективу для применения в быстродействующих коммута15 торах, Способ переключения полупроводникового прибора с несимметричным блокирующим ри -переходом из запирающего в проводящее состояние путем освещения прибора импульсом света, направ25 ленным перпендикулярно блокирующему ри-переходу, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса переключения и уменьшения коммутационных потерь, переход освеШают со щ стороны слаболегированной области световым потоком соотнетствующим условию о(() Я = 1-2, причем интенсивность излучения создает минимальную концентрацию носителей заряда в слаЗ5 болегированной области не менее

10 см н не более 5. 10 см н момент окончания импульса света, где p((k) — коэФФициент поглощения света длиной волны Р в материале слаболегнрованной области; Я - толщина этой области, равная ширине области пространственного заряда при приложении полного блокируемого напряжения, 45 Источники информации р . принятые во внимание при экспертизе

1. Джентри ф., Гутцвнллер ф. и др.

Управляемые полупроводниковые о вентили. "Мир". И., 1967, с. 103.

2. 0,5, chucker и др. Appl, Phys

Lettегs 29 262р,1976 (прототип).

730227

Р л

Составитель В. Березкин

Редактор Л. Письман Техред Т.Фанта б

Корректор И, Шулла

Заказ 28б/3 Тираж 761 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открыт.:й

113035, Иосква, Е-35, Рауиская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород,. ул. Проектная, 4