Рис. 2.12. Изменение границ области пространственного заряда на поверхности перехода при отрицательной (а) и положительной (б) фасках

вых профиля или так называемые фаски, которые применяются на практике: отрицательную и положительную (рис. 2.12).

В случае отрицательной фаски площадь перехода увеличивается в направлении от сильнолегированной к слаболегированной части, а в случае положительной фаски уменьшается. Анализ влияния поверхностного контура на электрическое поле в полупроводнике основывается на решении уравнения Пуассона

VE=±p{x,y), (2.26)

где Е - напряженность электрического поля; 8s - диэлектрическая проницаемость; р{х, у) -общая плотность электрического заряда.

В области объемного заряда р(х, у) характеризует общую плотность заряда примеси в каждой точке (х, у). Вне полупроводника, например в диэлектрике, заряд может быть равен нулю. Необходимо также цинимать во внимание любой заряд на поверхности кремния, которъиЭ. оказывает существенное влияние

, на электрическое поле.

Главной сложностью при решении уравнения (2.26) является то, что локализация области пространственного заряда в р-п-переходе зависит от распределения электрического поля. По-

1 этому решение можно отыскать методом итерации. Вычисление с помощью ЭВМ этого решения разрабатывалось несколькими авторами [Davies, Gentry, 1964], [Adler, Temple, 1976], [Cornu,

. 1973, 1974].

Ha рис. 2.13 приведены результаты исследований [Davies, Gentry, 1964], которые явно демонстрируют различное влияние положительной и отрицательной фасок. В этом примере напряженность поля в объеме приблизительно равна 200 кВ/см, поэтому для всех положительных фасок поле на поверхности меньше, чем в объеме, тогда как в случае отрицательной фаски

I для того, чтобы достигнуть такого же снижения поля, требуется

меньший угол.

В [Davies, Jentry, 1964] показано, что для положительной фаски положение максимума электрического поля на поверхности сдвигается от перехода к его слаболегированной стороне.

о 10 3D SO 70 30 7П 50 3D 10 О Отрицательный Полотительиый угол раека угол ipacm

Рис. 2.13. Максимальное значение электрического поля для отрицательной и положительной фасок р * -п-переходов

После вычисления значений \ла-пряженности электрического поля на некотором расстоянии от поверхности также можно заключить, что поле плавно уменьшается от поверхности к объему.

Хотя, как показано на рис. 2.12, область пространственного заряда для положительной фаски изгибается от перехода в сторону слаболегированной области, для отрицательной фаски она изгибается в слаболегированной области по направлению к выходу перехода на поверхность. Таким образом, в случае резкого перехода отрицательная фаска будет вызывать увеличение поля на поверхности.

Однако на практике в тиристоре блокирующие р-м-переходы являются не резкими, а глубокими диффузионными переходами, в которых максимум электрического поля локализован на диффузионной стороне перехода. Поэтому искривление слоя пространственного заряда в слаболегированной области перехода приводит к снижению поля (для очень малых углов скоса).

В [Adler, Temple, 1976] большое значение придается влиянию глубины диффузионного перехода и градиента примеси на напряжение пробоя перехода с отрицательной фаской. В этой работе показано, что напряжение пробоя достигает наибольшего значения, когда области объемного заряда с каждой стороны перехода равны. Эти условия реализуются только для глубоких диффузионных переходов с плавным градиентом примеси.

Другое свойство отрицательной фаски отмечено в [.Согпи, 1973]. Речь идет о том, что максимум поля локализуется в точке, расположенной приблизительно на 25 мкм ниже поверхности, причем его значение больше, чем в объеме. Поэтому несмотря на то, что поле на поверхности может оказаться меньше, чем в объеме, за счет создания плавного градиента, прибор не достигнет идеального напряжения пробоя, поскольку поле непосредственно над поверхностью остается больше, чем в объеме.

Для реальных тиристоров необходимо также рассматривать влияние поверхностного заряда. Это особенно справедливо в отношении высоковольтных тиристоров, у которых невысокий уровень легирования п-базы и, следовательно, незначительный по уровню заряд могут оказывать сильное негативное воздействие. Например, в [Bakowski, Lundstrom, 1973] показано, что нали-

Катод

9 Катод

JZ-Л-

Анод

Диэлектрик

Рис. 2.14. Фаски, применяемые в тиристоре

Рис. 2.15. Поверхностный контур в виде вытравленной канавки

чие поверхностного зарядк 10 см приводит к существенному увеличению поля на поверхности р-/г-перехода, если -слой легирован до уровня б-10 см *.

Примеры контуров фасок мощных тиристоров показаны на риг. 2.14. На рис. 2.14, а изображена обычная двойная фаска, состоящая из отрицательной фаски под малым углом для блокирования прямого напряжения перехода J2 и положительной фаски для блокирования напряжения перехода Л. Напряжение пробоя перехода 12 может быть гораздо меньше, чем Для приборов на напряжение выще 1000 В требуется изготавливать фаску с углом 0<6°, в результате чего происходит значительная потеря полезной площади тиристора.

В качестве альтернативы была предложена двойная положительная фаска [Cornu, I974J, приведенная на рис. 2.14,6. С ее помощью удается получить близкое к идеальному напряжению пробоя для обоих переходов и J2. Рассмотренная фаска имеет только один недостаток: вследствие отклонения от идеальной формы положительной фаски в точке А, где пересекаются фаски переходов и 12, немного увеличивается напряженность поля на поверхности по сравнению с идеальной положительной фаской.

Однако, поскольку угол фаски может превышать 30°, полезная площадь тиристора оказывается гораздо больше, чем в случае отрицательной фаски, что широко используется при конструировании высоковольтных тиристоров (4 кВ и выше).

Для достижения идеальных форм фасок на практике используется механическая абразивная обработка. Поэтому их применение ограничивается приборами большой площади. Для тиристоров диаметром менее 15 мм экономически целесообразно сни-