【技术实现步骤摘要】
本专利技术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，涉及到一种多级放大硅可控整流器，在这种硅可控整流器接通期间，可以限制选通级和可控整流器的任何其他中间级的峰值接通电流。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接通硅可控整流器。例如，光触发硅可控整流器必须依靠微小的光能(典型的约为20毫微焦耳量级)的接力方式来接通硅可控整流器。这是可能的，因为光能只要接通硅可控整流器的一个选通级，该级不但具有高灵敏度，而且还具有低电流变化率，它又依次再接通硅可控整流器其他中间级。硅可控整流器各级逐个接通，直到延续到硅可控整流器的主级已经接通为止。一般多级放大硅可控整流器的主要限制因素是接通时的电流变化率，或di/dt、用在典型电路中的这样一些硅可控整流器接通时的电流变化率必须由外部电路器件控制，这是为了防止硅可控整流器中的热应力，以免破坏硅可控整流器。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。这种类型的电抗器对硅可控整流器所流过...
【技术保护点】
在多级放大硅可控整流器中，包括半导体片、第一发射极电极、内级和外级发射极电极和电流控制电阻区；上述半导体片包括一个第一发射极层，在上述的第一发射极层上面的第一基极层、在上述第一基极层上的第二基极层、在上述第二基极层上的内级发射极层和在上 述第二基极层上面的外级发射极层，同时它接近从上述内级发射极层向外的方向上并处在该方向上。在上述第一发射极层下面的上述第一发射极电极；在第一部分中的上述内级发射极电极，它重叠在上述内级发射极层上，同时在第二部分中，处在上述第一部分向外 的位置上，它重叠在上述第二基极层上；重叠在上述外级发射极层上的上述的外级发射极电极。上述...
【技术特征摘要】
解释。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，参考下面的叙述以及参阅附图可以得到很好了解。在附图中图1是体现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，并示出可能产生不希望的调制的移动载流子源;图4A-4C描述图1的各种硅可控整流器，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不同间隔的各种结构，由于这些间隔的存在将使电流控制电阻区调制最小;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具体尺寸;图6是电流控制电阻区的未完稿的剖视图，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，在该区内用多区段来平衡热应力。在图1中描述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(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看出，硅可控整流器10是呈环形，作为例子，在图1中的中心作为中心线22。内级和外级发射极电极16和18分别从图1上看到呈环形。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和在基极层28上的N+发射极层22，同时它与由发射极层30“向外”的方向靠的很近并处于该处，在“该处向外”的方向表示由中心线22向外辐射的方向。凹区15在P基极层28内，在凹区中，N+发射极层30内沿30延伸出来，构成选通脉冲区，碰撞到选通脉冲区上的辐射(例如光辐射38)将启动硅可控整流器10接通。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脉冲级，而发射极层32构成硅可控整流器外级38的发射极。该级38可能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，16a在发射极层30上面，并在第二部分16b内，位于第一个部分16a外表，及在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13、16和18最好由铝制成。而包括在硅可控整流器10内的是复合环40，如铝环，环的用途在下面阐述。电流控制电阻区20构成P基极层28的一部分，P基极层28本身的内边延伸到内级发射极电极16的外沿16b′。而它本身的外边20b，则延伸到复合环40的内沿40。在内边和外边20a和20b之间的电流控制电阻器区20有未调制的电阻，选择该电阻阻值以将硅可控整流器的前述级或选通级36的接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的未调制电抗的值进行了讨论。电阻区20的制做通过电阻内边和外边(20a和20b)之间提供适合的间隔完成，没有必要专门改变P基极层28的掺参量(亦即没有必要的改变电阻率)。另一方面，通过适当掺杂离子注入可以对电阻区20的掺杂浓度进行专门的调整，例如，依靠电阻边20a和20b之间的距离可以单独地对P基极层28的剩余物的掺杂量进行控制。电流控制电阻区20的作用通过表示电路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之间的级间串连，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提供两个保护能力第一，在主硅可控整流器54被接通时，限制选通硅可控整流器52中流过的电流，第二，当硅可控整流器10正在接通时，它减少选通硅可控整流器52传导电流的时间间隔，因为一旦这个硅可控整流器被接通，电流就通过主硅可控整流器54，并在低阻抗状态下，该电流通过主硅可控整流器54的流动比通过选通硅可控整流器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接通期间被调到(对应于硅可控整流器10的接通)，这样就减少了这个时间周期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，虽然可以相信，调制到20%是允许的。通过考虑与电路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等效的硅可控整流器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的电势变化来量度。例如，由于调制分量由所描绘电子的N+发射极层30引出通过路径56注入到P基极层28和由N+发射极层32引出的通过路径42所描绘的电子注入到P基极层28，因此，净电阻包括硅可控整流器10接通期间的调制分量。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上的电子调到这个区，复合环40消除由P基极层28引出在路径42上的电子，其功能和载流子复合区类似。而使由于复合环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一倍才合乎要求。在器件接通期间，复合环40可以使从选通级36传递到硅可控整流器10的主级28的电流均匀。然而，只在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上取掉，作为例子，间隔约为3个基极层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)，就将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接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，除N+发射极层30和32之外，在由载流子源得到的电流控制电阻区20的调制必须给予考虑。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，并且，概要示明了N+发射极层30下面的接通等离子区。等离子区60内有从N+发射极层30径路径62注入P+发射极层24的电子和从P+发射极层24径路径64注入返回的空穴。在等离子区60里的空穴和电子的浓度，对于每种类型的电流载流子大约为每立方厘米为1027。就其功能而言，等离子区60是选通级36的一部分，当接通辐射能34(如光线)碰撞到选通凹区15上时，选通级36接通产生空穴电子对接通电流。由接通等离子区60得到的空穴电流66的某个部分并不维持只局限在高密度等离子区内，而要被吸引到电流控制电阻区20上。由于在主级38接通以前，主级发射极电极18有几千伏的偏压，所以会出现这种吸引，而一旦选通级36被接通，由于通过接通等离子区60以低阻抗连接到发射极电极13上，故内级发射极电极16的电压强度逐渐减小。根据进入和调制电流控制电阻区20的路径66...
【专利技术属性】
技术研发人员：维克多艾伯特基思坦普尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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