тура. Под действием приложенного напряжения dv/dt в приборе вследствие удаления заряда из перехода 12 будет протекать ток смещения

/ , = С.45. (2.24)

Протекание этого тока приводит к увеличению коэффициентов передачи тока двухтранзисторной модели и вызывает переключение тиристора, когда сумма коэффициентов передачи превышает единицу. Если шунтировать катод, то удается предотвратить это нежелательное переключение вплоть до очень больших значений dv/dt.

В этом случае ток смещения обходит катодный эмиттерный переход, т. е. в соответствии с рис. 2.7 lais является компонентой /. а щ /и, и, следовательно, ток смещения существенно не влияет на а р . Посредством использования шунтирования эмиттера стойкость к эффекту dv/dt можно повысить от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт в микросекунду. Более детально анализ шунтирования катодного эмиттера и конструкции образцов, используемых для современных высоковольтных тиристорор, будут обсуждаться в § 3.4.

2.2.4. Поверхностные эффекты

В вышеприведенных рассуждениях предполагалось, что пробой тиристора происходит в объеме кремния. Следует отметить, однако, что на практике напряжение пробоя определяется тем, какую форму имеет структура прибора на краю тиристора или в тех областях, где переходы и 12 выходят на поверхность кремния. Одномерные выражения применимы только для р-и-перехода с бесконечной плос<остью. Конфигурация поверхности в месте выхода перехода играет важную роль по той причине, что начало лавинного пробоя определяется исходя из напряженности электрического поля, например, в киловольтах на сантиметр, которая становится больше некоторого критического значения (приблизительно 200 кВ/см для кремния), а максимальная напряженность электрического поля вблизи места выхода перехода на поверхность или на самой поверхности обычно больше, чем в объеме. Поэтому при конструировании тиристора необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие поле на поверхности настолько низким, насколько возможно для того, чтобы достичь максимального напряжения пробоя.

Различные методы, которые используются для снижения до минимума вредных влияний краевых поверхностных эффектов, определяются целым рядом факторов, например номинальным напряжением тиристора, его размерами и технологией изготовления на производстве.

0,7 Ь

Рис. 2.9. Пленарный диффузионный переход, изготовленный диффузией р-типа через окно диаметром R , в маскирующем слое (/)

Рис. 2.10. Отношение напряжения пробоя искривленного перехода 1/ к напряжению пробоя плоского перехода У,. в функции rJW для резкого р* - /1-перехода

2.2.4.1. Полевые кольца. Общим методом изготовления диффузионных переходов является метод диффузии в окне в изолирующей пленке: так называемая плапарная технология (рис. 2.9). В этом случае край перехода определяется искривленной областью цилиндрического (вдоль прямого края диффузионного окна) или сферического типов (в углах) или их комбинацией. Вследствие искривления в этих областях переходы будут иметь более высокий потенциал электрического поля, чем в случае плоского перехода, и, следовательно, пониженное напряжение пробоя.

Вопросы влияния кривизны перехода на напряжение пробоя изложены в [Basavanagoud, Bhat, 1985], где проанализированы воздействия поперечного радиуса кривизны Р , и радиуса кри-г визны перехода г а результаты исследований показаны на рис! 2.10. Когда Р ,=0, переход является полностью сферическим, а когда РГ/- полностью цилиндрическим.

Очевидно, что если используются планарные переходы, то , желательно иметь кривизну перехода как можно больше, чтобы избежать острых углов. Однако для высоковольтных приборов параметр rj/W (где IF-ширина области в объемном заряде), \ как правило, не выше 0,5, в результате l /l/p,.<65%. Это \ более низкое процентное отношение, чем допускается при кон-I 33

п-тип Область

пространственного заряда

Рис 2 11 Граница р-/г-перехода, защищенная двумя диффузионными полевыми

кольцами

струировании современного мощного прибора. Для того чтобы рещить эту проблему, обычно используются полевые кольца.

Планарный переход с полевыми кольцами показан на рис. 2.11. Кольца называются полевыми потому, что окружают основной переход и снижают поле на поверхности структуры. Такие структуры могут быть изготовлены в виде диффузионных колец одновременно с основным переходом, при использовании тех же самых маскирующих слоев. Расположение первого полевого кольца выбирается таким образом, чтобы слой пространственного заряда основного перехода смыкался с ним при некотором напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя основного перехода.

После смыкания любое увеличение напряжения будет принимать на себя кольцевой переход. Напряжение пробоя структуры с двумя кольцами

VR = Vpm+Vpn + Vc2, (2.25)

где 1/р,о - напряжение смыкания основного перехода с кольцом /; Vpti - напряжение смыкания кольца / с кольцом 2; Va - напряжение пробоя кольца 2, обусловленное эффектом либо цилиндрического, либо сферического перехода. Поскольку уменьшение напряжения пробоя, обусловленное кривизной перехода, в последнем выражении является наиболее важным ограничивающим фактором, полное напряжение пробоя может быть увеличено.

В работе [Као, WoUey, 1967] продемонстрированы возможности этого способа и получены на структурах с тремя охранными кольцами напряжение пробоя 2000 В на кремнии с удельным сопротивлением 80 Ом-см и 3200 В на кремнии с удельным сопротивлением 220 Ом-см. Однако следует отметить, что на высокоомном материале интервалы между кольцами должны быть очень большими, чтобы получить высокую пробивную способность. Поэтому полевые кольца редко применяются для высоковольтных приборов.

2.2.4.2. Механическое профилирование. Для р- перехода при обратном смещении значительное уменьшение поля на поверхности достигается за счет ее механического профилирования в местах выхода перехода. Рассмотрим два простых крае-