181028. lajstromszámú szabadalom • Nagyfeszültséű, záróréteges szilárdtest kapcsoló
5 181028 6 28a, 32a illetve 30 elektróda kivezetései vannak. A GDS1 és GDS2 kapcsoló ebben a kombinációban olyan kétirányú kapcsolót képez, amely potenciálok kétoldali zárására képes függetlenül attól, hogy melyik kapuzott dióda GDS1, GDS2 kapcsoló anódja vagy katódja van a legpozitívabb potenciálon. A GDS1 és GDS2 kapcsolók lényegében azonosak és ugyanazon a módon működnek. Következésképpen a GDS1 kapcsolóra vonatkozó alábbi leírás ugyanúgy érvényes a GDS2 kapcsolóra is. A GDS1 kapcsoló lényeges tulajdonsága a viszonylag kis ellenállású áramút az anód 18 tartomány és a katód 24 tartomány között, amikor bekapcsolt (vezető) állapotban van, és a lényegesen nagyobb impedancia, amikor kikapcsolt (záró) állapotban van. Bekapcsolt állapotban a kapu 30 elektróda potenciálja általában ugyanaz vagy kisebb, mint az anód 28 elektróda potenciálja. Ilyenkor a félvezető 16 testbe az anód 18 tartományból lyukak, a katód 24 tartományból pedig elektronok injektálódnak. Ha ezek a lyukak és elektronok elegendő számban gyűlnek össze, akkor plazmát alkotnak, amely modulálja a 16 test vezetőképességét. Ennek következtében a 16 test ellenállása erősen lecsökken úgy, hogy a GDS1 kapcsoló bekapcsolt állapotában az anód 18 tartomány és a katód 24 tartomány között egy viszonylag kis ellenállású áramút nyílik. Az ilyenfajta működési módot, amelyben mind a lyukak, mind az elektronok töltéshordozóként szerepelnek, kettős töltéshordozó injektálásnak nevezzük. Az előbbiek során leírt eszköztípust pedig kapuzott dióda kapcsolónak (gated diode switch = GDS) nevezzük. A 22 tartomány elősegíti a „punch-through” (átlyukadás) effektus korlátozását abban a kiürített rétegben, amely működés alatt a 20 tartomány és a 12 szubsztrátum, valamint a katód 24 tartomány között képződik. Ezenkívül a 22 tartomány egy felületi inverziós réteg kialakulását is akadályozza a 24 és 20 tartományok között. Ráadásul a 22 tartomány lehetővé teszi, hogy az anód 18 tartomány és a katód 24 tartomány viszonylag közel kerüljenek egymáshoz. Ennek eredményeképpen kapunk bekapcsolt állapotban viszonylag kis ellenállást az anód 18 tartomány és a katód 24 tartomány között. Az anód 18 tartomány és a katód 24 tartomány közötti áramvezetés megszűnik vagy lezáródik, ha a kapu 30 elektróda potenciálja elegendően pozitívabb, mint az anód 28 elektróda és a katód 32 elektróda potenciálja. A vezetés letiltásához vagy lezárásához szükséges pozitív potenciáltöbblet értéke a 10 félvezető eszköz geometriai méreteitől és szennyezés-koncentrációitól függ. Ez a pozitív kapu potenciál kiüríti a szabad elektronokat a 16 testnek a 12 szubsztrátum és a 26 dielektromos réteg közötti részéből úgy, hogy ennek a résznek a potenciálja pozitívabbá válik, mint az anód és a katód 18 és 24 tartomány potenciálja. Ez a pozitív potenciálgát egyrészt megakadályozza, hogy az anód 18 tartományból lyukak áramoljanak a katód 24 tartományba, másrészt a katód 24 tartományban emittált elektronokat is összegyűjti, mielőtt azok elérhetnék a 18 anód tartományt. A leírt jelenség lényegében a 16 test azon részének lezáródását jelenti, amely a 26 dielektromos réteg alatt az anód és a katód 18, 24 tartományok között van, és a 12 szubsztrátumtól a 26 dielektromos rétegig terjed. A 38 elektróda használatával csökkenteni tudjuk az áramvezetés letiltásához vagy lezárásához szükséges potenciál nagyságát. Kikapcsolt állapotban a GDS1 kapcsoló viszonylag nagy potenciálok kétoldali zárására képes az anód és a katód 18 és 24 tartományok között, függetlenül attól, hogy melyik van pozitívabb potenciálon. A GDS1 kapcsoló bekapcsolt állapotában a 16 testből és a 20 tartományból álló p-n rétegdióda áteresztő irányú előfeszültséget kap. Az áteresztő irányban folyó diódaáram korlátozására (nem ábrázolt) áramkorlátozó eszközt használhatunk. A GDS1 és GDS2 kapcsolók anódjait és katódjait nem szükséges feltétlenül összekötni. A két GDS1 és GDS2 kapcsolót külön-külön is használhatjuk, de a kapuk közösek. A 3. ábrán felülnézetben mutatjuk be a találmány egy másik előnyös kiviteli alakját reprezentáló, két GDS 10 és GDS20 kapcsolóból álló 100 félvezető eszközt, amelyet le is gyártottunk. A 100 félvezető eszköz hasonlít a 10 félvezető eszközhöz attól eltekintve, hogy az anód és a katód 180 és 240, illetve 180a és 240a tartományok görbültek. Az ilyen geometriai alakzat alkalmazása korlátozólag hat az átütést előidéző helyi térerősség koncentráció kialakulására és megnöveli az anód és a katód 180 és 240 tartományok felé néző kerületeit, vagyis kis bekapcsolási ellenállást és nagy áram-terhelhetőséget biztosít. A 100 félvezető eszközt egy n vezetési típusú 120 szubsztrátumon készítettük el, amelynek vastagsága 457 . . . 559 mikron volt, dopolása pedig 1015 . . . 1016 szennyezőatom/cm3 volt. A 160 és 160a testek p~ vezetési típusúak, 30 .. . 40 mikron vastagok, 720 mikron szélesek, 910 mikron hosszúak, szennyezéskoncentrációjuk pedig 5 ... 9 • 1013 szennyezőatom/cm3. A görbült anód 180 és 180a tartományok p+ vezetési típusúak, 2 ... 4 mikron vastagok, szennyezés-koncentrációjuk pedig 1019 szennyezőatom/cm3. A görbült katód 240 és 240a tartományok n+ vezetési típusúak, 2 ... 4 mikron vastagok, szennyezés-koncentrációjuk pedig 10*9 szennyezőatom/cm3. A legyártott 100 félvezető eszköz teljes hosszúsága 1910 mikron és a teljes szélessége 1300 mikron. Az anód és a katód 180 és 240 tartományok közötti rés általában 120 mikron. A legyártott példányok egy részét elláttuk 60 mikron széles vezető 380, 380a tartományokkal, a többieket nem. A 380, 380a tartományok nélkül készült eszközök esetén az anód és a katód közti vezetés lezárása érdekében 22 volttal kellett nagyobb potenciált adni a kapura, mint az anódra. A 380, 380a tartományokkal is kiegészített eszközök esetén viszont a kikapcsolás eléréséhez csak 7,5 volttal kellett a kapu potenciálját az anódé fölé emelni. A legyártott eszközök 300 volt zárására és 500 milliamper vezetésére voltak képesek 2,2 voltos anód és katód közötti feszültségesés mellett. Ezek az eszközök 10 amperes és 1 milliszekundum tartamú áramcsúcsokat is el tudtak viselni. A 4. ábrán illusztrált 1000 félvezető eszköz is nagyon hasonló a 10 félvezető eszközhöz, és annak alkatrészei is lényegében ugyanazok vagy hasonlók, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
