CN1007765B - 可控制接通的硅可控整流器 - Google Patents

Abstract

一多级放大硅可控整流器包括一在硅可控整流器两相邻级之间的集成的电流控制电阻区，除硅可控整流器主级外，其他级均用于限制接通电流。硅可控整流器主要用来减小接通时di/dt故障，而无需在硅可控整流器内附加外部电路来限制。在接通期间，通过该区与硅可控整流器每级的发射极进行足够的隔开和充分的屏蔽和通过将电阻区与最低发射极区的一部分进行充分的隔开或屏蔽，可防止电流控制电阻区的调制，最低发射极区包含硅可控整流器前一级的接通等离子区。

Description

本发明涉及具有选通级和主级的多级放大硅可控整流器，更具体地说，涉及一种多级放大硅可控整流器，这种硅可控整流器在导通期间，可以限制选通级和可控整流器的任何中间级的峰值导通电流。

一般的多级放大硅可控整流器包括选通级和主级，还可能包括一个或几个中间级。在一个硅可控整流器中包括若干级的原因是可以利用很低能量的选通信号来导通硅可控整流器。例如，光触发硅可控整流器（LTT）必须依靠微量的光能（典型的约为20毫微焦耳量级）来导通硅可控整流器。这种导通所以可能是因为光能只要导通硅可控整流器的一个选通级，该级具有高灵敏度，但具有低电流额定值，它依次再导通硅可控整流器任一中间级。硅可控整流器各级逐个导通，直到延续到硅可控整流器的主级导通为止。

一般多级放大硅可控整流器的主要限制因素是用在典型电路中的这些硅可控整流器的导通速率或di/dt必须由外部电路器件控制，以防止硅可控整流器内的热应力破坏硅可控整流器。例如，利用硅可控整流器把交流转换成直流的一个典型的高压直流输电系统包括很昂贵的饱和电抗器。这类电抗器对硅可控整流器所流过的导通电流呈瞬时高感抗，但在硅可控整流器处于稳定状态工作时，感抗值迅速减小。

一种已公开的设计增强的免受di/dt热应力故障的硅可控整流器方法，也就是通常所说的受控导通法，就是将多级放大硅可控整流器的电流控制的电阻器区合并，即合并硅可控整流器的一对相邻级之间的一个区域。这些电流控制的电阻区是企图用来减少硅可控整流器的导通（或 di/dt）热应力，其原理是，首先减小硅可控整流器的每一前级中或前面已导通级的电流，其次减小硅可控整流器前面每一级的占空系数。有关的方法已有详细介绍，例如，在VAK坦普尔（本发明者）题为“受控导通硅可控整流器”发表在IEEE    Tronsactions    on    Electron    Devices    Vol    ED-30（1983.7）P816～824中的文章有详细描述，整篇文章作为参考文献。

上述的坦普尔的文章介绍了直至600伏电平下进行试验的5KV硅可控整流器的满意性能，如在本发明人坦普尔的文章中描述的那样，该硅可控整流器在以后的试验表明：在大约2000伏电平下，由于热应力出现导通故障。在坦普尔的文章里所描述的受控导通方法的进一步研究表明：在该文所描述的研究中没有考虑到的某些条件是引起大约2000伏电平下导通故障的因素。本发明论述了这些条件，并且得到一种多级放大硅可控整流器，成功地显示出在比至今可达到的电压高得多的电压下的受控导通。

一般地说，在坦普尔的文章里，未曾指出的条件集中在硅可控整流器里所包含的电流控制电阻区中的阻值减少，这是由于在本技术上称之为这些电阻区中的“调制”（modulation）效应。指明这些电阻区包括额定掺杂浓度的半导体材料和或是P-或N-型导电半导体材料是重要的。在电流控制电阻区中，或多数载流子或少数载流子浓度的增加将产生调制，或这些区的电阻的降低。由于多数载流子在浓度上的全面增加，而导致多数载流子浓度增加的情况下，这一点是很容易了解的;然而，在少数载流子浓度增加的情况下，包括了一种在本技术上称之为准中性原理的附加现象。根据这一原理，在半导体区内多数载流子浓度大致上增加到少数载流子浓度，从而能防止硅可控整流器内出现过分的高电场。

坦普尔的文章指出：在多级放大硅可控整流器内，有一些移动载流子源（特别是，硅可控整流器各级的阴极发射极层），这些载流子源增 加了在电流控制电阻区内的载流子电平，除非这个区被充分隔开，或相反对这些载流子源进行屏蔽。本发明指出硅可控整流器的一种设计，在此设计中，其它的移动载流子源（坦普尔文章发表时并没有考虑到）与这些载流子源隔开或屏蔽，足以使电流控制电阻区调制减到最低的程度。

因此，本发明的主要目的是提供一种具有可靠导通特性的多级放大硅可控整流器。

本发明的另一个目的是提供一种基本上不受di/dt故障影响的多级放大硅可控整流器。

本发明的再一个目的是提供一种改进的电流控制电阻区的多级放大硅可控整流器，电阻区利用一般的加工技术就可以产生。

在实现本发明目的的过程中，形成一种多级放大硅可控整流器，该整流器包括有半导体片、第一发射极电极、内和外级发射极电极和电流控制电阻区。半导体片的最佳形式包括P⁺发射极层、在P⁺发射极层上面的N^-基极层、在N^-基极层上面的P基极层、在P基极层上面的内级N⁺发射极层和在P基极层上面的外级N⁺发射极层，外级N⁺发射极层位于本文称之为从内级N⁺发射极层“向外”的方向并与内级N⁺发射极层相邻。

第一发射极电极位于P⁺发射极层下面。内级发射极电极在第一部分内的覆盖在内级N⁺发射极层上面，而在第二部分内的（位于第一部向外），覆盖在P基极层上。外级发射极电极覆盖在外发射极层上。电流控制电阻区构成P基极层的一部分，电阻区本身的内侧，伸到内级发射极电极的外沿，同时，它本身还具有延伸至复合环的外侧。

电流控制电阻区使一个未调制的电阻值选择成将硅可控整流器前面各级的导通电流限制在安全值内。在硅可控整流器导通期间，为使电流控制电阻区的调制减到最小，内级发射极电极的外沿应从如下边缘向外延伸一个预定的距离值，

第一级发射极层的内沿，

在内级N⁺发射极层下面的导通等离子体的外沿，以及

第一级N⁺发射极层的外沿。

延伸距离至少约为1个半导体片厚度和N⁺基极层内两个双极扩散长度中之较大者：

利用从第一级N⁺发射极层到电流控制电阻区的上述间隔，防止来自在第一级发射层下面的一部分P⁺发射极层的空穴载流子注入对电流控制电阻区的调制。

本发明中被认为是新颖的那些特点限定在所附的权利要求书。然而，就发明本身的结构和工作方法，以及另外一些目的和它的优点，参考下面的叙述结合参阅附图可以得到很好了解。在附图中：

图1是体现本发明的特点的硅可控整流器部分剖面视图。

图2是图1硅可控整流器等效电路图。

图3描述了图1的硅可控整流器，并示出可能产生有害的调制的移动载流子源;

图4A-4C描述图1的硅可控整流器的一些改变，并示出硅可控整流器第一级N⁺发射极层与电流控制电阻区之间间隔的各种不同结构，由于这种间隔的存在使电流控制电阻区调制减至最低;

图5描述了具有中间级的本发明另一种硅可控整流器，并给出了硅可控整流器各部分的典型尺寸;

图6是电流控制电阻区的局部视图，该电流控制电阻区可以用在图1硅可控整流器上，特别是，它表明了一种多区段电流控制电阻区，用以平衡该区内各区段的热应力。

在图1中描绘的是体现本发明特点的一个多级放大硅可控整流器10。硅可控整流器10包括半导体片12（如硅片），第一发射极电极13、内级和外级发射极电极16和18，以及电流控制电阻区20。从图1上方的角度看出，硅可控整流器10是呈环形，作为例子，用图1中的中心作为中心 线22。内级和外级发射极电极16和18从图1上方的角度看到分别呈环形。

半导体片12包括P⁺发射极层24，在发射极层24上的N^-基极层26，在基极层26上面的P基极层28，在基极层28上的N⁺发射极层30，和在基极层28上的N发射极层32，它位于沿发射极层30“向外”的方向并靠近发射极层30，“向外”的方向表示由中心线22径向向外的方向。凹区15在P基极层28内，N⁺发射极层30的内沿30a伸入凹区15，构成选通区，照射到选通区上的辐射（例如光辐射34）用以触发硅可控整流器10导通。N⁺发射极层30构成硅可控整流器内级36的发射极，它包括一个硅可控整流器选通级，而发射极层32构成硅可控整流器外级38的发射极。该级38可包括硅可控整流器中间级或硅可控整流器主级。

第一发射极13在P⁺发射极层24下面，并以“A”表示，作为“阳极”。内级发射极电极16在第一部分16a内的，在发射极层30上面，而在位于第一个部分16a向外的第二部分16b内的，则在P基极层28上面。主级发射极电极18在N⁺发射极层32上面，并以“K”表示，作为“阴极”。前述的电极13、16和18最好由铝制成。

其它包括在硅可控整流器10内的是复合环40，如铝环，环的用途在下面作详细阐述。

电流控制电阻区20构成P基极层28的一部分，它的内侧20a延伸到内级发射极电极16的外沿16b′。而它本身的外沿20b，则延伸到复合环40的内沿40′。

电流控制电阻器区20在内外侧20a和20b之间有未调制的电阻，选择该电阻阻值以将硅可控整流器的前级即选通级36的导通电流限制在安全值范围内。在上述坦普尔的参考文章里，对于选择合适的电阻区20的未调制电阻的值进行了讨论。电阻区20的制做通过电阻内沿和外沿（20a和20b）之间提供合适的间隔而适当地完成，没有必要专门改变P基极层28的掺杂量（因而没有改变电阻率）。另一方面，例如，通过适当掺杂 剂的离子注入可以对电阻区20的掺杂浓度进行专门的调整，从而使电阻侧面20a和20b之间的距离可以独立于P基极层28的剩余部分的掺杂量进行控制。

电流控制电阻区20的作用参照表示电路50的图2能够很好地了解，电路50是图1硅可控整流器10的等效电路。电路50的选通硅可控整流器和主硅可控整流器52和54分别对应于硅可控整流器10的选通级和主级36和38，而硅可控整流器52和54之间的级间串联电阻Rs则对应于硅可控整流器10的内级和外级发射极电极16和18之间的器件净电阻。

在电路50里的级间电阻Rs为电路50提供两种保护特性：第一，在主硅可控整流器54导通时，它限制流过选通硅可控整流器52中的电流，第二，当硅可控整流器10导通时，它减少选通硅可控整流器52传导电流的持续时间，因为一旦主硅可控整流器导通，并处在低阻抗状态下，电流通过主硅可控整流器54的流动比通过可控整流器52的流动更容易，因而必然流过级间电阻Rs。

级间电路Rs包括若干分量，这些分量在电路50接通期间被调制（对应于硅可控整流器10的导通），以减少这段时间内Rs的电阻值。Rs的调制分量最好不超过未调制Rs值的10%左右，虽然认为，调制到高达20%左右是允许的。

通过研究与电路50的电阻Rs对应的硅可控整流器10模拟结构能够了解电阻Rs的调制分量。与电阻Rs等效，硅可控整流器10构成了内级与外级发射极电极16和18之间净电阻，此电阻可用发射极电极16和18的电位自由浮动来量度。例如，由于通过路径56所描绘的电子从N⁺发射极层30注入到P基极层28和通过路径42所绘的电子从N⁺发射极层32注入到P基极层28，因此，硅可控整流器10导通期间净电阻包括调制分量。为了不让路径42上的电子到达电阻区20，以及为了防止路径42上的电子调制这个区，复合环40从P基极层28消除在路径42上的电子，其功能和载流子 复合区类似。即使复合环40的存在，复合环40的内沿40′与N⁺发射极层32的内沿32′的间隔至少是P基极层28上的少数载流子扩散长度的大约两倍才合乎要求。

在器件导通期间，也要求复合环40使从硅可控整流器10的选通级36传输到主级38的电流均匀。然而，只要在N⁺发射极层32和电流控制电阻区20之间有足够的间隔，环40可以从硅可控整流器10上省去，作为例子，间隔约为3个P基极层28内的少数载流子扩展长度是符合要求的。

上述参考的坦普尔文章指出，由于载流子从选通级和主级发射极层注入到P基极层（见坦普尔文章第823页，图12（C）及由此的讨论），可能出现电流控制电阻区的调制。坦普尔的文章表明硅可控整流器安全导通的目的虽然圆满地达到了，但对5000伏的器件（见坦普尔文章第七节819页），只在600伏情况下得到验证。而且，硅可控整流器的试验和研制表明，来自除N⁺发射极层30和32之外的载流子源的电流控制电阻区20的调制必须给予考虑。

可能产生电流控制电阻区20调制的另一种载流子源由图3表示，它所表示的是和图1中的硅可控整流器10一样的视图。并且，概要示明了N⁺发射极层30下面的导通等离子体60。等离子体60包括从N⁺发射极层30沿路径62注入P⁺发射极层24的电子和从P⁺发射极层24沿路径64注入的返回空穴。在等离子体60里的空穴和电子的浓度，对于每种载流子大约为每立方厘米10¹⁷，就其功能而言，等离子体60是选通级36部分，当导通辐射能34（如光线）照射到选通凹区15上时，以致产生空穴电子对导通电流，选通级就导通。由导通等离子体60而来的空穴电流66的某个部分并不维持只局限在高密度等离子体内，而要被吸引到电流控制电阻区20上。由于在主级38导通以前，主级发射极电极18一般有几千伏的偏压，所以会出现这种吸引，而一旦选通级36导通，由于通过导通等离子体60以低阻抗连接到发射极电极13上，故内级发射极电极16的电压强度减小。

为了抵消进入和因而调制电流控制电阻区20的路径66上的空穴的趋势，在导通等离子体60和电流控制电阻区之间应如图4A中所示具有足够的间隔（说明与图1相同的视图）。特别是，如果第一级发射极电极16的外沿16b′与导通等离子体60的外沿70之间隔开一个预定的距离72，即间隔距离至少约为一个半导体片12的厚度和N^-基极层26内的两个双极扩散长度（标准设计参数）中之较大者时，就可避免路径66内的空穴对区20的调制。预定距离72比较保守的数值至少为下面任一种数值：两个半导体片12的厚度和在N^-基极层26内的两个双极扩散长度中之较大者;两个半导体片厚度和在层26内的三个双极扩散长度中之较大者;三个半导体片的厚度和在层26内的两个双极扩散长度中之较大者，以及三个半导体片厚度和在层26内三个双极扩散长度中之较大者。导通等离子体60的外沿70的位置，根据已知的本工艺的原理，可以很快确定下来。图4B表示的另一个间隔布置是，将内级发射极电极的外沿16b′与N⁺发射极层30的外沿74隔开一段预定距离72′，这个距离是和预定距离72（图4A所示的距离）具有相同的大小。图4C给出的再一个间隔布置是按将第一级发射极电极的外沿16b′与N⁺发射极层30的内沿76隔开一段预定距离72″。这个距离是和预定距离72（图4A所示的）具有相同的大小。在从图4A～4C中挑选一种间隔布置时，通常考虑是部份16b（即内级发射极电极16的部分16b）越长，电阻区20的有害调制就越少。

按照本发明制成的图5所示的4.5千伏光触发硅可控整流器只是一个例子（并不局限于此），硅可控整流器100包括一个中间级102，它相对应于硅可控整流器10的主级38（图1）。在大约为每微秒450安的di/dt值和从38°到90℃的不同试验热沉温度下，光触发硅可控整流器100，在4千伏电平下可以安全的导通。试验的硅可控整流器尺寸如下：径向距离104为25密耳（0.025英寸）;径向距离106（包括距离104）为65密耳;径向距离108、110、112、114、116、118、120、和 122分别为120密耳、130密耳、140密耳、165密耳、190密耳、275密耳和288密耳。电流控制电阻区20和20′的电阻分别约为98欧和50欧。

如果硅可控整流器10（图1）的电流强度额定值很高，希望以使径向穿过电阻区20的热应力更加平稳地分散的方式构成电流控制电阻区域20，用于完成这种方法的最佳技术由图6说明，图6是描述改进后的区20″的局部视图。这个区分别包括第一和第二区段110和112，区段112在区段110的外面，并比区段110薄，因而电阻也比区段110高。例如，区段112可以通过腐蚀方法（未说明）得到，通过腐蚀将P基极层28水平线114以上的部分腐蚀掉，这种腐蚀方法可以有利于与硅可控整流器10（图1）的选通级36的选通凹区15的腐蚀步骤同时进行。由于区段112处在区段110径向外侧，所以区段112具有较大体积，由于区段112以较大的体积较高的（电流）×电阻发热，区段110和112每单位体积发散的热量彼此近似相等。

虽然没有说明，可用电阻随着径向间隔的增加而逐步增加的一连串的区段完成电流控制电阻区段20。例如，这可以通过在电流控制电阻区上形成一系列沿向外方向扩展的连续较薄的区段来完成。作为可以代替利用具有高电阻的薄区段，例如，具有较高电阻的区段可通过适当掺杂剂的离子注入途径得到，高电阻区段具有低掺杂剂浓度。

上面所述的硅可控整流器的制作可用一般的半导体器件加工技术实现，根据本说明书，这种硅可控整流器技术是属于那些熟悉硅可控整流器的技术人员的技术范围内的。

前面描述了一种多级放大硅可控整流器，为限制除了硅可控整流器主级之外的电流，硅可控整流器包括相邻各级之间的内建或集成电流控制电阻区。因此，没有必要采用外部电路来限制硅可控整流器的di/dt值，硅可控整流器达到了基本上免除di/dt导通故障。

上述说明仅表示了本发明的某些最佳的特性，对于硅可控整流器工艺的技术人员而言，可以作许多改进和变化。例如，可以制成互补硅可控整流器，在这种互补硅可控整流器中，用P-型导电半导体材料代替N-型导电材料，反过来也可用N-型导电材料代替P-型导电型材料。因此，应该懂得，所附权利要求书拟包括上述内容和所有其他改进和变化，只要这些改进和变化属于本发明的精神和范围内。

Claims (18)

1、一种多级放大硅可控整流器，包括一半导体片，第一发射极层，在所述第一发射极层上的第一基极层，在所述第一基极层上的第二基极层，在所述第二基极层上的第一级发射极层，以及在所述第二基极层上、沿导通顺序方向由一部分所述第二基极层而与所述第一级发射极层隔开的第二级发射极层，所述第一级发射极层在其朝向所述第二级发射极层的一侧有一第一边沿；

第一发射极电极在所述第一发射极层的下面，二者处于欧姆接触；

第一级发射极电极处在第一部分中的，重叠在所述第一级发射极层上，处在第二部分中的，位于从所述第一部分朝向所述第二级发射极层的位置，且与所述第二基极层欧姆接触，所述第一级发射极电极在朝向所述第二级发射极层的一侧有一第一边沿；

第二级发射极电极与所述第二级发射极层欧姆接触，所述第二级发射极层在其朝所述第一级发射极层的一侧有一第一边沿；

一个电流控制电阻区构成所述第二基极区域的一部分，所述电流控制电阻区由所述第一级发射极电极的所述第一边沿在所述第二基极区域上的投影限定其第一侧，以及由所述第二级发射极电极的所述第一边沿在所述第二基极区域上的投影限定其第二侧；

所述电流控制电阻区使未调制电阻选择成将放大硅可控整流器前面各级的导通电流限制在安全值范围内，且具有电阻值R_G：

R_G=0.5V² _Gt_G/C_hG(T_MAX)，式中，V_G是器件的最大额定电压，t_G是导通电流流过该电流控制电阻区的时间，C_h是该半导体的热容量(Specificthermol capacity)，G是该电流控制电阻区的导通电流所流入的该半导体的体积，以及T_MAX是该半导体的该导通体积(turn-on Volume)的最大允许温升，其特征在于：

所述第一级发射极电极的所述第一边沿从下列至少一种边沿，超过所述第一级发射极层的所述第一边沿向第二级发射极层延伸一段预定距离：

所述第一级发射极层远离所述第二级发射极层的那侧面上的其一条边沿；

器件导通过程中，所述第一级发射极层下面的该导通等离子体所占据位置的朝向所述第二级发射极层的导通等离子体第一边沿；以及

所述第一级发射极层的所述第一边沿；

该预定距离至少为所述一个半导体片的厚度或所述第一基极层内两个双极扩散长度之较大者。

2、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述预定距离包括至少为两个所述半导体片的厚度或所述第一基极区域的两个双极扩散长度之较大者。

3、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述预定距离包括至少为两个所述半导体片厚度或所述第一基极区域的三个双极扩散长度之较大者。

4、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述预定距离包括至少为三个所述半导体片的厚度或所述第一基极区域的两个双极扩散长度之较大者。

5、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述预定距离包括至少为三个所述半导体片的厚度或所述第一基极区域的三个双极扩散长度之较大者。

6、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述第一级发射极电极的所述第一边沿从下列任一边沿测量，超过所述第一级发射极层的所述第一边沿，延伸所述预定距离：

所述第一级发射极层下面的导通等离子的所述位置的所述第一边沿，或

所述第一级发射极层的所述第一边沿。

7、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述第一级发射极电极的所述第一边沿超过所述第一级发射极层的所述第一边沿，延伸所述预定距离。

8、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述电流控制电阻区包括第一区段和第二区段，所述第二区段的有效电阻高于所述第一区段的有效电阻。

9、根据权利要求8的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述电流控制电阻区的所述第二区段比所述电流控制电阻区的所述第一区段薄。

10、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述电流控制电阻区的第二边沿与所述第二级发射极层的所述第一边沿相隔开，且不位于所述第二发射极层的下面。

11、根据权利要求10的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述电流控制电阻区的第二边沿与所述第二级发射极层的所述第一边沿隔开两个双极扩散长度。

12、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：在所述第一级发射极电极和所述第二级发射极层之间还配有一个与所述第二基极层成欧姆接触的附加电极，所述附加电极的第一边沿在其朝向所述第一级发射极电极的那一侧上，其第二边沿则与所述第二级发射极层的所述第一边沿相隔开，所述附加电极的所述第一边沿限定所述电流控制电阻区的所述第二侧。

13、根据权利要求12的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述硅可控整流器为4，5千伏光触发硅可控整流器，所述第一级发射电极的所述第一所述与所述附加电极的所述第一边沿隔开55密尔数量级的距离。

14、根据权利要求12的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述电流控制电阻区的所述第二边沿与所述第二级发射电极的所述第一边沿隔开两个双极扩散长度。

15、根据权利要求14的多级放大硅可控整流器，其特征在于，所述电流控制电阻区的所述第一边沿与所述第一级发射极电极的所述第一边沿相隔开，且不位于所述第一级发射极电极的所述第一级发射极电极的所述第一边沿的下面。

16、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：当所述硅可控整流器未导通时，所述电流控制电阻区呈现的电阻为R，而在稳态工作条件下，所述未调制电流控制电阻区呈现大于80%R的有效电阻。

17、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述第一级发射极电极的所述第一边沿与所述第二级发射极层的所述第一边沿隔开大于一个所述半导体片厚度，或大于两个双极扩散长度。

18、根据权利要求1的多级放大硅可控整流器，其特征在于：所述第一级发射极电极的所述第一边沿与所述第二级发射极层的所述第一边沿隔开大于两个所述半导体片的厚度，或大于四个双极扩散长度。

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