Статичний індукційний діод

Изобретение относится к области силовой электроники и может найти применение в преобразовательных устройствах в качестве импульсных, выпрямляющих и защитны х диодов. Высоковольтные диоды, используемые в настоящее время в преобразовательных устройствах, изготавливаются, в основном, из кремния путем создания сплавных, диффузионных или эпитаксиальных р-nпереходов [Зи С. Физика полупроводниковых приборов (в 2-х томах)/Пер. с англ. под ред. Р.А.С уриса. - М.: Мир, - 1984. - С.69-119]. Недостатком таких диодов является большое падение напряжения при пропускании прямого тока и большое время восстановления сопротивления при обратном включении в импульсном режиме вследствие большого времени рассасывания носителей в базе диода. Уменьшение времени рассасывания достигается радиационным облучением или введением в базу диода соответствующей примеси, что приводит к уменьшению времени жизни носителей, и тем самым, к увеличению быстродействия, однако, и в первом и во втором случае возрастают падения прямых напряжений и обратные токи диодов, что особенно сильно проявляется при повышении температуры. Известен диод [Naito М., Matsuzakl H. and Ogawa Т. High current characteristics of asymmetrical p-i-n diodes having low forward voltage drops.//IEEE Trans.Electron Devices. - 1976. - Vol ED-23, - P. 945-947], в котором некоторое снижение прямого падения напряжения и время восстановления обратного сопротивления достигается уменьшением концентрации носителей в эмиттере диода. Однако достичь высоких пробивных напряжений в таких диодах не удается. Известен диод канальной структуры [Nalto М,, Murakami S. and Terasawa Y. High-Speed Low-Loss p-n Diode Having a Channel $tructure.//IEEE Trans. Electron Devlces.-1984. - Vol.ED-31.- №9,- P.1314-1319], в котором мелкие р-области с низкой концентрацией чередуются с глубокими р-областями с высокой концентрацией. Глубокие р-области выполняют роль электростатической защиты мелких р-областей. Пробивные напряжения возрастают, однако прямое падение напряжения и время восстановления остаются сравнительно высокими. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому диоду является высоковольтный диод Шоттки [Wilamowski B.M. Schottky diodes with nigh breakdown voltages.//Solid-State Electron. - 1983. -Vol. 26. - P. 491-493]. Снижение прямого падения напряжения и увеличение быстродействия здесь достигается использованием контакта Шоттки, а высокие пробивные напряжения обеспечиваются защитными р+областями. Структура высоковольтного диода Шоттки (ВДШ) содержит эпитаксиальную высокоомную пленку п-типа, выращенную на п +-подложке, в которой диффузионным способом сформированы области р +-типа на определенном расстоянии друг от друга и затем вся поверхность пластины покрыта металлической пленкой, которая в промежутках между р +-областями образует контакт Шоттки и в целом образует анод ВДШ, а подложка n+-типа - катод. При обратном включении области объемного заряда n+-р-переходов расширяются и перекрывают пространство между р+-областями, защищая тем самым контакт Шоттки от приложенного напряжения. Этим и достигаются высокие пробивные напряжения. При прямом включении толщина объемного заряда р+-n-переходов уменьшается, появляется канал протекания тока между р +-областями через контакт Шоттки. Поскольку потенциальный барьер контакта Шоттки меньше, чем p-n-перехода, то основной ток протекает между р +-областями, обеспечивая тем самым малое прямое падение напряжения и высокое быстродействие, т.к. контакт Шоттки является неинжектирующим и, следовательно, отсутствуе т явление накопления носителей. Недостатком ВДШ являются большие обратные токи, характерные для контакта Шоттки, и сильная зависимость от температуры, а также сравнительно большое прямое падение напряжения, складывающееся из падения напряжения на сопротивлении канала между р +-областями и падения непосредственно на контакте Шоттки. В основу изобретения поставлена задача создания статического индукционного диода (СИД). в котором за счет замены барьера Шоттки на омический контакт n+-n-типа, обеспечивается уменьшение прямого падения напряжения и снижение динамических потерь обратного тока. Для решения поставленной задачи в СИД, содержащем базовую область п-типа, в которой на одинаковом расстоянии друг от друга сформированы глубокие области р +-типа, соединенные между собой нанесенной на поверхность структуры металлической пленкой, согласно изобретению в объеме между р +-областями выполнен тонкий слой n+-типа, электрически соединенный с р +-областями металлической пленкой. Омический контакт n+-n-типа имеет меньший потенциальный барьер и, следовательно, меньшее падение напряжения. На фиг.1 представлена структура заявляемого СИД; на фиг.2 - прямые ветви ВАХ; на фиг.3 - обратные ветви ВАХ диодов. Заявляемый СИД содержит на низкоом-ной подложке 1 выращенный эпитаксиальный высокоомный слой n-типа 2. Концентрация примесей и толщина слоя определяют пробивные напряжения диода. В высокоомном слое 2 сформированы диффузионные области 3. Глубина этих областей и расстояние между ними с одной стороны определяют их блокирующие свойства, т.е. определяют обратные пробивные напряжения. Чем глубже эти области и ближе расположены друг к другу, тем больше обратные напряжения. С другой стороны, глубже р+-области и ближе расположены друг к другу, тем больше сопротивление канала между р областями, а, следовательно, и больше прямое падение напряжения на диоде. В промежутках между р +областями сформированы каким-либо способом мелкие n -области 4, которые образуют омический контакт с областью n-типа 2. Сверху и снизу на пластину по всей поверхности нанесен металл для контакта с полупроводниковыми областями: верхний контакт образует анод 5, нижний - катод 6 СИД. Работает СИД следующим образом. При отсутствии напряжений на электродах СИД канал между р+-областями 3 перекрыт обедненным слоем р-n-перехода, образованного областями 3 и 2, вследствие контактной разности потенциалов этих областей. Если приложить положительное напряжение к катоду 6, а отрицательное к аноду 5, то ток не потечет, т.к. переход 3 и 2 смещен в обратном направлении, а между областями 4 и 2 отсутствует канал. По мере увеличения напряжения на катоде 6, поле, создаваемое этим напряжением будет все больше компенсировать поле, созданное контактной разностью потенциалов перехода 3, 2, и при некотором значении напряжения между областями 4 и 2 потечет ток. Это напряжение и будет соответствовать напряжению пробоя СИД, а, следовательно, будет" определять рабочее напряжение СИД, при использовании его в качестве защитного диода. Если теперь приложить отрицательное напряжение к катоду 6, а положительное к аноду 5, то толщина обедненного слоя 3, 2 уменьшится, между областями р+3 появится канал и ток потечет от области 4 к области 2 через этот канал. Через диод потечет таким образом прямой ток, на пути у которого отсутствуе т pn-переход или контакт Шоттки, что и обеспечивает меньшее падение напряжения на диоде. В динамике, вследствие того, что сопротивление канала между р +областями шунтирует переход, образованный 3, 2, не происходит глубокого насыщения перехода и накопления избыточных носителей, время рассасывания в несколько раз уменьшается по сравнению с обычным р-п переходом и зависит от конкретной структуры СИД: от глубины р +-областей, расстояния между ними, от толщины и от электрофизических параметров исходной эпитаксиальной структуры. Реализованная и приведенная в качестве примера структура СИД (фиг.1) характеризуется следующими параметрами. Подложка 1 имеет концентрацию доноров 10 см , толщин у 240 мкм, базовая область п-типа 2-10 см -3, толщина 50 мкм, р+-области 3 концентрация 10 см -3, глубина 5 мкм, n+-области - концентрация 1019 см-3, глубина 0,5 мкм. Расстояние между р +-областями 2 мкм. На фиг.2 приведены прямые ветви ВАХ трех диодов: 1 - на основе р+-п-перехода; 2 - на основе контакта Шоттки; 3 - СИД, на фиг.3 показаны обратные ветви эти х диодов, с теми же обозначениями. СИД имеет минимальное прямое падение напряжения (фиг.2), но меньшее обратное пробивное напряжение (фиг.3, кривая 3). Обратный ток СИД (фиг.3, кривая 3) до участка пробоя практически повторяет ход обратного тока p-n-перехода (фиг.3, кривая 1), у ВДШ обратный ток значительно больше (фиг.3, кривая 2). Таким образом, СИД имеет меньшее падение прямого напряжения, а, следовательно, меньшие потери, чем ВДШ и диод на основе р-n-перехода.