Расчет и проектирование динистора (стр. 6 из 8)

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 α_прп и α_рпр. Напряжение лавинного пробоя определяется в основном концентрацией доноров в n-базе и, следовательно, ее удельным сопротивлением. Коэффициенты передачи транзисторов α_прп и α_рпр 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) N_B= 10^l2

10¹⁴см^-3;

б) N_B=10¹⁴

10¹⁶см^-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.

2.4 Время жизни неосновных носителей заряда

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

τ_p = p/G,

где р - средняя плотность инжектированных дырок. Время жизни неосновных носителей заряда для ловушек плотностью N_t с одним уровнем энергии E_t в запрещенной зоне кремния [11].

(2.11)

В этом выражении E_f- уровень Ферми; E_i = (Е_с- E_v)/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 σ_р, σ_n - сечения захвата дырок и электронов уровнями ловушек; v_s-тепловая скорость носителей; N_t - 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 = σ_р/σ_n - отношение сечений захвата уровней ловушек. Следует отметить, что время жизни при низком уровне инжекции в значительной степени зависит от характеристик определяющего уровня ловушки (b₀, N_t, и Е_f,).

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]

2.5 Проектирование структуры

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.

2.5.1 р-база (Р2)

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 W_P1 = W_P2 +W_N2 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.

С другой стороны, как галлий, так и алюминий являются быстродиффундирующими элементами и не вносят структурных нарушений в кристаллическую решетку кремния, но в отличие от бора они не могут использоваться для создания рисунка по фотошаблону с применением двуокиси кремния в качестве маскирующего средства.

Распределение легирующих примесей в слоях, полученных диффузией, может быть описано следующими уравнениями. Если источник легирующей примеси является неограниченным, то распределение характеризуется функцией ошибок:

N(x,t) = N₀erfc(

)-N_B, (2.17)

а если источник диффузии является ограниченным, то оно описывается функцией Гаусса

N(x,t) = N₀exp(

)-N_B (2.18)

Здесь N(x, t) - концентрация примеси в некоторой точке х для времени диффузии t; N_o - поверхностная концентрация примеси; D - коэффициент диффузии; N_в - концентрация примеси в исходном материале.

Рисунок 2.4 - Коэффициенты диффузии для часто встречающихся примесей в кремнии.

Значения коэффициентов диффузии примесей, используемых в производстве высоковольтных силовых тиристоров, приведены на рис. 2.4. С их учетом рассчитываются распределения примесей при диффузионных процессах. Применяются также и компьютерные методы расчета. На рис. 2.5 показаны функция Гаусса и функция ошибок. [10]

Одним из наиболее критичных параметров при проектировании тиристора является поперечное сопротивление р-базы. Оно влияет как на ток управления, так и на стойкость тиристора к эффекту dv/dt.

Рисунок 2.5 - Дополнительная функция ошибок и функция Гаусса

Поперечное сопротивление р-базы усредненное удельное сопротивление р-базы ширина р-базы :

(2.19)

Усредненное удельное сопротивление р-базы лучше всего рассчитывать, используя численное интегрирование удельного сопротивления между переходами J3 и J2. Как альтернативу можно использовать кривые Ирвина [6], которые дают приближенное значение поперечного сопротивления.

Концентрация легирующей примеси в р-базе и ширина р-базы определяют эффективность инжекции n-эмиттера. Поскольку высокий коэффициент инжекции иметь предпочтительнее, для того, чтобы добиться минимального напряжения в тиристоре в открытом состоянии, любые поиски оптимального решения заключаются в обеспечении минимума концентрации легирующей примеси в р-базе.