CH631832A5

CH631832A5 - Leistungsthyristor und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: CH631832A5
Application number: CH652378A
Authority: CH
Inventors: Roland Dr Sittig
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1982-08-31
Also published as: US4298880A; JPS553689A; DE2830381A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsthyristor und ein Verfahren zu seiner Herstellung mit mindestens drei auf der katho-denseitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine Elektrode als Steuerelektrode (Gate) dient und die beiden anderen Elektroden sperrschichtfrei elektrisch miteinander verbunden sind und wobei die der Steuerelektrode nächste Elektrode zur Entnahme eines Stromes (Generatorgate) und die mit der Stromentnahmeelektrode (Generatorgate) verbundene Elektrode als zusätzliche Zündelektrode (Zündgate) dient.

Derartige Thyristoren sind beispielsweise aus der DE-OS 2146 178 bekannt. Bei diesen bekannten Bauelementen handelt es sich um Thyristoren, die zwecks innerer Zündverstärkung ein Amplifying Gate besitzen. Um einen über die ganze Thyristorfläche gleichmässigere Zündvorgang zu erreichen, werden auf der kathodenseitigen Oberfläche Zündgates vorgesehen, die von dem als Generatorgate wirkenden Amplifying Gate (Hilfsthyristor) angesteuert werden. Diese bekannten Thyristoren besitzen folgenden Nachteil: Sinkt der Anodenstrom eines gezündeten Thyristors, so fliesst der Strom in dem Thyristor nicht mehr gleichmässig über die gesamte Kathodenfläche verteilt, sondern nur noch an bestimmten Stellen. Da der Hilfsthyristor bei der sehr niedrigen Anodenspannung des gezündeten Thyristors (^ 2 V) selbst nicht zündet, kommt es bei einem Anstieg des Anodenstroms auch nicht zur Zündung im Bereiche der Zündgates. Der dann unter Umständen lokal im Thyristor auftretende Strom kann zur Zerstörung des Bauelementes führen.

Um eine gleichmässige Zündausbreitung zu erlangen, ist es ferner bekannt, die Fläche der Steuerelektrode bzw. die Emitterrandlänge des jeweiligen Thyristors zu erhöhen. Derartige Massnahmen haben aber zur Folge, dass zur Zündung sehr hohe Zündströme erforderlich sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Thyristor der eingangs erwähnten Art - sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Thyristors - anzugeben, bei dem einerseits keine hohen Zündströme erforderlich sind und bei dem andererseits auch bei kleinen Anodenspannungen eine Zündung über die Zündgates möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Zweckmässige Ausgestaltungen dieser Merkmale enthalten die abhängigen Patentansprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile sowie ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die kathodenseitige Oberfläche eines Thyristors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Thyristor nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie S-S,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines Thyristors mit Generatorgate im gezündeten Zustand.

Mit K ist in Fig. 1 die Kathodenmetallisierung und mit G die Steuerelektrode, die aus drei von einem zentralen Kontaktfleck 1 ausgehenden Armen besteht, bezeichnet. Zwischen den Armen der Steuerelektrode G ist jeweils ein Generatorgate GG vorgesehen, das mit einem Zündgate ZG am Rand des Thyristors über eine Leitung 2 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Thyristor nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie S-S. Unter der Kathodenmetallisierung K befindet sich die Kathodenzone 3 und unter der Steuerelektrode G die Gatezone 4, die von der P-Basiszone 5 eingeschlossen wird. Der Kontaktfleck 1 und die P-Basiszone 5 werden voneinander durch die Isolierschicht 6 (z.B. SÌO2) getrennt. Auch die das Generatorgate GG und das Zündgate ZG verbindende Leitung 2 ist gegenüber der P-Basis 5 durch eine Oxidschicht 7 isoliert. Sowohl unter dem Generatorgate GG als auch unter dem Zündgate ZG ist die P-Basis 5 hochdotiert (P+-Bereiche).

Bei der Dimensionierung der beiden Gates GG und ZG ist nun folgendes zu beachten: Nach dem Durchzünden des Thyristors in der Nähe des Gates G bricht die Anodenspannung sehr schnell zusammen. Obwohl der Thyristor unter den Zündgates ZG noch nicht durchgezündet ist, beträgt die Spannung zwischen Kathode und Anode nur noch einige Volt (häufig ^ 2 V). Trotz dieser geringen Anodenspannung muss der vom Genera-

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torgate GG gelieferte Strom IG ausreichen, um in der Umge- N-Basis über einen entsprechenden Bahnwiderstand RN angebung der Zündgates ZG die Kathodenzone 3 zur Elektronenin- steuert. Sobald nun die Kollektor-Emitterspannung an dem jektion in die P-Basis 5 anzuregen; und damit die Zündung auch Thyristor die Sättigungsspannung Usättjg überschreitet, fliesst in diesem Teil des Thyristors einzuleiten. ein konstanter Kollektorstrom Ic. Der vom Generatorgate GG

Für die Dimensionierung des Zündgates gilt daher, dass der 5 entnehmbare Strom Ig ist dann :

zwischen der Kathodenzone 3 und dem jeweiligen Zündgate ZG liegende laterale Widerstand der P-Basis 5 Rgk möglichst klein gemacht wird, weil dann die über diesem Widerstand j = j _ Ugk ~ Uj,

abfallende Spannung klein ist und die am Gate liegende Span- G c RGk'

nung unmittelbar auf den Zonenübergang J wirkt. Vorzugs- i o weise soll der an dem Widerstand Rgk abfallende Spannungsabfall bei dem minimalen Zündstrom IG' kleiner als 0,2 V betra- Je nach Grösse des Bahnwiderstandes Rgk' in der P-Basis-gen. Um den Bahnwiderstand Rgk möglichst klein zu machen, zone 5 überlagert sich dem Kollektorstrom Ic noch ein weiterer wird der Abstand zwischen Zündgate ZG bzw. kathodenseiti- Strom. Eine Erhöhung des Generatorstromes IG ist also - abge-gem Rand der P+-Zone unter dem Zündgate, und dem gateseiti-15 sehen von der Wahl eines längeren Gaterandes - im wesentli-gen Rand der Kathodenzone 3 möglichst klein gemacht. Eine chen dadurch möglich, dass der Bahnwiderstand und/oder der weitere Möglichkeit, die Zündempfindlichkeit zu erhöhen, Kollektorstrom Ic entsprechend gross gewählt werden. Einen besteht darin, den kathodenseitigen Gaterand möglichst kurz grossen Wert für Ic erhält man insbesondere dann, wenn der zu wählen (vgl. Fig. 1 ). durch den Thyristor fliessende Strom J0 entsprechend gross

Anders als im Falle des Zündgates ist bei der Dimensionie- 20 gewählt wird, da Ic~ Vjö ist: wobei j„ die Stromdichte des gezün-

rung des Generatorgates zu beachten, dass der zwischen Gate, deten Thyristors unterhalb der Kathode bedeutet. Für grosse bzw. der P+-Zone und der Kathodenzone 3 befindliche laterale Widerstandswerte Rgk' kann das Gate im Idealfall den Strom

Widerstand Rgk' möglichst gross gewählt wird. Mindestens ic bei einer Spannung von UAK - Usät,ig liefern.

sollte Rgk' dreimal grösser sein als Rgk- Dieses soll anhand des Der zwischen Kathodenzone 3 und Generatorgate befind-in Fig. 3 dargestellten Ersatzschaltbildes eines gezündeten Thy- 25 liehe laterale Widerstand Rgk' der P-Basis 5 sollte also mög-

ristors erläutert werden: Danach besteht der gezündete Thyri- liehst gross gewählt werden. Eine Erhöhung dieses Widerstan-

stor zwischen Kathodenkontakt K und Anodenkontakt A aus des erfolgt vorzugsweise durch eine zusätzliche Ätzung eines einer in Flussrichtung gepolten, durch den Übergang J gebilde- Grabens 8 (Fig. 2) in der P-Basis 5. Diese Grabenätzung bietet ten Diode und zwei den ohmschen Spannungsabfall im über- den Vorteil, dass der Widerstand Rgk' stark erhöht werden schwemmten Gebiet (P- und N-Basiszone) charakterisierenden 30 kann, ohne dass der Abstand des Generatorgates von der

Widerstände R] und R2. Zwischen Generatorgate GG und Kathodenzone 3 wesentlich zuzunehmen braucht. Eine weitere

Anode A liegt hingegen eine reine Transistorstruktur. Dieser Möglichkeit den Strom IG zu erhöhen besteht darin, den katho-

Transistor T wird durch den lateralen Elektronenstrom in der denseitigen Gaterand möglichst lang zu wählen (vgl. Fig. 1 ).

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Leistungsthyristor mit mindestens drei auf der kathoden-seitigen Basiszone angeordneten Elektroden, wobei eine Elektrode als Steuerelektrode dient und die beiden anderen Elektroden sperrschichtfrei elektrisch miteinander verbunden sind und s wobei die der Steuerelektrode nächste Elektrode zur Entnahme eines Stromes und die mit dieser Stromentnahmeelektrode verbundene Elektrode als zusätzliche Zündelektrode dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem lateralen Bahnwiderstand der P-Basis (5) zwischen der io Stromentnahmeelektrode (GG) und Kathodenzone (3) und dem entsprechenden Widerstand zwischen der Zündelektrode (ZG) und der Kathodenzone (3) und/oder dass das Verhältnis zwischen Randlänge der Stromentnahmeelektrode (GG) und der Randlänge der Zündelektrode (ZG) derart gewählt sind, 15 dass der von der Stromentnahmeelektrode (GG) gelieferte Strom ausreicht, um den Thyristor in den Bereichen unterhalb der Zündelektrode (ZG) zu zünden.
2. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode aus mehreren von einem 20 zentralen Kontaktfleck (1) ausgehenden Armen besteht, wobei der Kontaktfleck (1) gegenüber der P-Basiszone (5) isoliert angeordnet ist, und dass jeweils eine Stromentnahmeelektrode (GG) und eine Zündelektrode (ZG) zwischen den Armen der Steuerelektrode (G) angeordnet sind. 25
3. Leistungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den lateralen Widerständen, R' gk bzw. Rgk. die zwischen Stromentnahmeelektrode bzw. Zündelektrode und Kathodenzone (3) liegen, die folgenden beiden Beziehungen gelten: 30

Rgk ^ Ì Rgk' 3

IG' - Rgk ^ 0,2 V

wobei mit IG' der minimale von der Stromentnahmeelektrode (GG) gelieferte Strom bezeichnet ist, bei dem der Thyristor in der Umgebung der Zündelektrode noch zündet.
4. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer bestimmten Thyristorstruktur die gewünschte Zündempfindlichkeit der Zündelektrode (ZG) durch Verkleinerung des zwischen dieser Elektrode und der Kathodenzone (3) befindlichen lateralen Bahnwiderstandes der P-Basis (5) eingestellt wird, und dass der zur Zündung der Zündelektrode (ZG) erforderliche von der Stromentnahmeelektrode (GG) gelieferte Strom durch Vergrösserung des entsprechenden lateralen Bahnwiderstandes zwischen Stromentnahmeelektrode und Kathodenzone (3) und/oder durch Erweiterung der Randlänge 50 der Stromentnahmeelektrode (GG) eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass der laterale Bahnwiderstand zwischen Stromentnahme- ( elektrode (GG) und Kathodenzone (3) dadurch vergrössert wird, dass in diesem Bereich der Basiszone ein Graben geätzt 55 wird.

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