Рисунок 2.1 – Вольтамперная характеристика динистора
Отправной точкой в процессе разработки тиристоров является выбор исходного материала, а именно самого полупроводника. В качестве материала, использующегося в настоящее время для создания мощных тиристоров, служит кремний или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легированный фосфором кремний n-типа. В некоторых случаях применяется также эпитаксиальный кремний, который будет рассматриваться позднее. Однако стоит изучить причины, приведшие к такому выбору материала, и выяснить, является ли это подходящей альтернативой.
Существуют три типа полупроводниковых материалов, которые используются для производства мощных тиристоров: германий, кремний и арсенид галлия. Полупроводник должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Время жизни неосновных носителей должно быть большим для обеспечения незначительного напряжения тиристора в открытом состоянии.
2. Необходимо обеспечить достаточную глубину залегания диффузионных переходов, чтобы они могли выдерживать высокое блокирующее напряжение.
Поскольку мощный тиристор имеет большие размеры, полупроводниковый материал должен обладать равномерным распределением донорной примеси и совершенной кристаллической структурой.
Для достижения высоких значений блокирующего напряжения необходимо обеспечить низкую концентрацию примеси.
Для уменьшения напряжения в открытом состоянии прибора требуется высокая подвижность носителей заряда.
Материал должен выдерживать высокую температуру и иметь большую теплопроводность [4].
Полупроводником с большой подвижностью носителей является германий, его применение ограничено из-за высокой собственной концентрации носителей и малой ширины запрещенной зоны. Малая ширина запрещенной зоны приводит к большой утечке тока при повышении температуры, а собственная концентрация носителей ограничивает напряжение лавинного пробоя. Низкая температура плавления не позволяет получить переходы с большой глубиной диффузионного слоя. В германии легко формируется сплавной р-n-переход, что используется для диодов, но неприемлемо для тиристоров.
Кремний - это полупроводник с высокой температурой плавления, низкой собственной концентрацией носителей, умеренно широкой запрещенной зоной и высоким временем жизни носителей заряда. Подвижность носителей в кремнии уступает по абсолютному значению, как германию, так и арсениду галлия, что приводит к большему падению напряжения во включенном состоянии. Как бы то ни было, это адекватно компенсируется большим временем жизни неосновных носителей и хорошими термическими свойствами материала. Кроме перечисленных преимуществ кремния существует современная промышленная технология его изготовления и возможность введения фосфора методом нейтронной трансмутации [3].
Процесс легирования кремния с помощью нейтронной трансмутации ограничивается кремнием n-типа, так как в этом случае образуется только примесь фосфора. Однако это обстоятельство не создает никаких дополнительных проблем, поскольку большинство тиристоров большой мощности производится из кремния n-типа. Из такого материала легче образовать глубокий диффузионный слой р-типа, используя быстродиффундирующие примеси, например галлий или алюминий. Заметим также, что время жизни неосновных носителей заряда в кремнии n-типа больше, чем в кремнии р-типа.
Исходя из вышеизложенного в качестве материала для тиристоров больше всего подходит кремний. Изготовители получают кремний методом зонной плавки с ориентациями (111) и (100). Ориентация (100) неприменима, когда используются сплавные контакты с эвтектическим силумином, поскольку в приборах большой мощности может происходить неравномерное проникновение Аl с этих контактов в кремний.
Следует выбрать тип легирующей примеси и толщину материала. Применительно к кремнию в качестве основного параметра предпочтительно выбирают сопротивление, а не уровень концентрации примеси, так как сопротивление может быть легко измерено.
Удельное сопротивление р, Ом·см, определяется как коэффициент пропорциональности между током и напряженностью электрического поля в материале из выражения:
E = pJ (2.9)
Для полупроводника сопротивление зависит от концентрации и подвижности как электронов, так и дырок. Поэтому:
Р= (2.10)
Из уравнения (2.9) видно, что сопротивление обратно пропорционально концентрации носителей. Однако концентрации носителей и примеси не одинаковы, так как при заданной температуре не все доноры и акцепторы примеси могут быть ионизированы. Зависимость удельного сопротивления от концентрации примеси, вычисленная для кремния, легированного фосфором [7], приведена на рис. 3.1.
Прямое и обратное напряжения пробоя зависят от напряжения лавинного пробоя и суммарных коэффициентов передачи двух составных транзисторов αпрп и αрпр. Напряжение лавинного пробоя определяется в основном концентрацией доноров в n-базе и, следовательно, ее удельным сопротивлением. Коэффициенты передачи транзисторов αпрп и αрпр в значительной степени определяются эффективной толщиной базы транзистора. Поэтому толщина кремния и концентрация донорной примеси в n-базе определяют напряжение пробоя транзистора.
Cледует отметить, что в основном для мощных тиристоров используется слой кремния толщиной от 300 до 1000 мкм с удельным сопротивлением 50-300 Ом·см.
Рисунок 2.2 - Зависимость удельного сопротивления при 300 К от концентрации примеси для кремния n-типа: ;
a) NB= 10l21014 см-3;
б) NB=10141016 см-3
Время жизни неосновных носителей заряда в кремнии влияет на такие важные характеристики прибора, как его утечки, напряжение в открытом состоянии и время выключения, этот параметр также необходимо учитывать при изготовлении тиристора.
Если в полупроводнике имеется избыток носителей, обусловленных, например, инжекцией или тепловой генерацией, то предполагается, что при тепловом равновесии инжекция или генерация носителей уравновешивается процессами рекомбинации. [2]
Рекомбинация электронов и дырок может происходить через переходы зона - зона, а также глубокие примесные уровни или ловушки. Такая рекомбинация характеризуется временем жизни неосновных носителей заряда, которое в первом приближении определяется отношением избытка плотности заряда неосновных носителей к скорости рекомбинации G. Например, для дырок в кремнии n-типа время жизни неосновных носителей заряда
τp = p/G,
где р - средняя плотность инжектированных дырок. Время жизни неосновных носителей заряда для ловушек плотностью Nt с одним уровнем энергии Et в запрещенной зоне кремния [11].
(2.11)
В этом выражении Ef- уровень Ферми; Ei = (Ес- Ev)/2 - собственный уровень; h0 = n/n0, где n - средняя плотность инжектированных электронов; n - равновесная плотность электронов. Собственные времена жизни соответственно дырок и электронов.
(2.12)
(2.13)
Здесь σр, σn - сечения захвата дырок и электронов уровнями ловушек; vs-тепловая скорость носителей; Nt - плотность ловушек. Для низкого и высокого уровней инжекции уравнение (2.3) существенно упрощается.
При условии низкого уровня инжекции в выключенном состоянии или на заключительной стадии этапа восстановления при выключении h0«1 и выражение для времени жизни принимает вид:
(2.14)
где b0 = σр/σn - отношение сечений захвата уровней ловушек. Следует отметить, что время жизни при низком уровне инжекции в значительной степени зависит от характеристик определяющего уровня ловушки (b0, Nt, и Еf,).
При высоком уровне инжекции h0»1 и выражение для времени жизни принимает вид:
(2.15)
Ранее это время уже встречалось в тексте как амбиполярное время жизни τ0 при высоких уровнях инжекции. Оно является критичным при определении напряжения на тиристоре в открытом состоянии.
Кроме того, важное значение имеет время жизни и в области пространственного заряда τsc, поскольку оно характеризует генерацию носителей в слое пространственного заряда р-n-перехода и влияет на значение тока утечки в тиристоре. Время жизни в пространственном заряде [11]
(2.16)
Основной задачей при конструировании тиристора является выбор соответствующего значения времени жизни для вычисления характеристик прибора. В случае быстродействующих тиристоров требуется малое время выключения. Поэтому и время жизни в приборе обычно регулируется путем введения известных примесей или электронным облучением. Уровень ловушки, определяющий время жизни, хорошо известен, и время жизни можно точно вычислить, используя вышеприведенные аналитические выражения. [9]
Типичная р-n-р-n-структура мощного тиристора, изображенная на рис. 3.2, изготавливается обычно путем диффузии. В исходный кремний n-типа проводится диффузия акцепторных примесей, в результате которой образуется симметричная р-n-р-структура, а затем с одной стороны кремниевой пластины проводится диффузия n-типа для формирования катодного эмиттера.
Рисунок 2.3 - Структура мощного р-n-р-n-тиристора: УЭ - управляющий электрод
Очевидно, что описанная процедура изготовления тиристора очень проста и экономична, поскольку включает в себя только два диффузионных процесса. Однако в некоторых случаях необходимо несколько видоизменять эту процедуру для того, чтобы создать асимметричные р-n-р-структуры, требующиеся для специальных типов тиристоров, например асимметричных и запираемых.
Для обеспечения высокого напряжения пробоя силовых тиристоров свыше 1000 В необходимо слои Р1 и Р2, которые формируют обратный и прямой блокирующие переходы J1 и J2 соответственно, создавать путем диффузии. Их ширина WP1 = WP2 +WN2 изменяется в интервале от 30 до 140 мкм.
Существуют три легирующие акцепторные примеси, которые обычно используются для создания этих слоев: галлий, алюминий и бор. Бор применяется при локальной диффузии акцепторов, например, для создания охранных колец в пленарных структурах. К сожалению, бор является медленно диффундирующей примесью по сравнению с галлием и алюминием. Он также создает нарушения в кристаллической решетке кремния, в результате которых могут возникнуть большие тепловые токи утечки.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
