CH656485A5

CH656485A5 - Halbleiterelement.

Info

Publication number: CH656485A5
Application number: CH337481A
Authority: CH
Inventors: Victor Albert Keith Temple
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1980-05-23
Filing date: 1981-05-22
Publication date: 1986-06-30
Also published as: CA1163020A; SE457837B; SE8103222L; DE3120254A1; JPS5710972A; DE3120254C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Thyristoren, Triacs sind Halbleiterelemente, die häufig zum Ein- und Abschalten von Hochspannungsquellen benutzt werden. Diese Elemente schliessen mindestens eine erste und eine zweite den Hauptstrom tragende Elektroden sowie eine Gateelektrode ein. An die erste und die zweite Hauptstrom tragende Elektrode wird eine Spannung gelegt, so dass beim Anlegen eines Steuersignals an die Gateelektrode ein Hauptstrom zwischen den genannten Hauptelektroden fliesst. Das Element wird als angeschaltet bezeichnet, wenn zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode ein Strom fliesst. Da das Element an der inneren Übergangszone eine Kapazität aufweist, ist seine Fähigkeit zu sperren abhängig von der Geschwindigkeit, in der eine Spannung in Durchlassrichtung an die Hauptanschlüsse angelegt wird. Eine steil ansteigende Spannung, die an die Hauptanschlüsse gelegt wird, kann das Fliessen eines kapazitiven Ladestromes durch das Element verursachen. Der Ladestrom I = CjdV/dt ist eine Funktion der inhärenten Kapazität der Übergangszone und der Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung einen kritischen Wert übersteigt, dann kann der kapazitive Ladestrom gross genug sein, um einen Gatestrom ausreichender Grösse und für eine ausreichende Zeit zu erzeugen, um das Element anzuschalten.

Die Fähigkeit des Elementes, einer über seine Hauptanschlüsse angelegten Stossspannung zu widerstehen, wird üblicherweise die dV/dt-Fähigkeit des Elementes genannt und in V/Mikrosekunden angegeben. Diese dV/dt-Fähigkeit wird besonders wichtig, wenn Stossspannungen an die Hauptanschlüsse des Elements gelegt werden. Solche Stossspannungen treten in elektrischen Systemen auf, wenn eine Störung den Normalbetrieb des Systems unterbricht oder selbst bei Normalbetrieb, wenn andere Elemente in dem System an- oder abschalten.

Stossspannungen haben im allgemeinen eine rasche Anstiegsgeschwindigkeit, die grösser sein kann, als die dV/dt-Fähigkeit des Elementes. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Stossspannung die dV/dt-Fähigkeit z.B. eines Thyristors

5

10

15

20

25

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50

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CO

65

3

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übersteigt, dann kann das Element unbeabsichtigt angeschaltet werden.

Es gibt eine Reihe bekannter Verfahren, um die dV/dt-Fähigkeit von Halbleiterelementen zu verbessern. Ein solches Verfahren ist die Anwendung von «Emitterkurzschlüssen» in einem relativen grossen Emitterbereich des Halbleiterelementes. Nachteile bei der Verwendung solcher Emitterkurzschlüsse können sein, dass der zum Aktivieren des Halbleiterelementes erforderliche Gatestrom erhöht wird und die Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt des Elementes vermindert wird.

Ein anders bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt-Fähigkeit eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines wechselseitigen Ineinandergeifens. Dadurch wird der anfängliche Anschaltbereich der Emitter erhöht und die Anschaltempfindlichkeit des Elementes gegenüber Gatestrom entsprechend verringert. Das wechselseitige Ineinandergreifen verursacht jedoch Probleme hinsichtlich des Verpackens ebenso wie hinsichtlich dem erforderlichen erhöhten Gatestrom.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt-Fähigkeit eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines Widerstandes, der zwischen Gate und Kathode des Halbleiterelementes gelegt ist, und der einen Nebenschlusspfad schafft, um einen Teil des von der Stossspannung erzeugten Gatestromes von dem Emitter der Kathode abzulenken. Die Anwendung eines Widerstands-Nebenschlusspfades für das Gatesignal reduziert die Gateempfindlichkeit des Halbleiterelementes in gleichem Masse.

Aufgabe des vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterelementes, das die Nachfeile bestehender Ausführungen nicht aufweist. Dabei soll es hinsichtlich der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Elementes verursachen, dass nur eine relativ geringe Verminderung der Gateempfindlichkeit auftritt. Weiter soll eine Vorrichtung geschaffen werden, welche die Spannungszunahmegeschwindigkeit des Elementes erhöht, jedoch nur eine minimale Auswirkung auf andere Parameter des Elementes hat. Und schliesslich soll das Halbleiterelement eine erhöhte Ausbreitungsgeschwindigkeit für ein Plasma aufweisen, das beim anfänglichen Anschalten des Elementes erzeugt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss mittels der Merkmale im Kennzeichnungsteil des ersten Anspruches gelöst.

Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Halbleiterelementes mit einer Impedanz zur Schaffung eines Nebenschlusses für den durch die Stossspannung erzeugten Gatestrom und

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines verstärkenden Thyristors gemäss der vorliegenden Erfindung mit einem im Zentrum angeordneten Gate, bei dem im Inneren vorhandene isolierende Schichten dazu dienen, die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt des Elementes zu erhöhen.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt eines Halbleiterelementes 10, das als verstärkender Thyristor mit einem im Zentrum angeordneten Gate ausgebildet ist. Dieses Element 10 weist eine An-odenbasisschicht 16 aus einem halbleitenden Material des n-Types auf, und weiter bildet ein halbleitendes Material des p-Types eine Schicht 18, die unterhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet ist. Eine Kathodenbasisschicht 14 aus halbleitendem Material des p-Types ist oberhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet. Die Schichten 14 und 16 weisen an ihrer äusseren Peripherie eine abgeschrägte Oberfläche 38 auf, um die Lawinendurchbruchsspannung zu erhöhen. Die halbleitende Schicht 14 stellt einen Hauptteil einer oberen Oberfläche 19 des Halbleiterelementes 10. Die halbleitende Schicht 16 bildet im allgemeinen das Substrat des Elementes 10, wobei die Schichten 14 und 18 durch Diffusion und/oder epitaxiales Aufwachsen gebildet werden. Das Element 10 schliesst einen Pilot-Thyristor 13 und einen Hauptthyristor 28 ein, die jeder eine zusätzliche Schicht mit hoher n+-Leitfähigkeit aufweisen, die als Schichten 15 bzw. 17 gezeigt sind. Die 5 Schicht 15 mit n+-Leitfähigkeit bildet den Emitter des Pilot-Thyristors 13. In ähnlicher Weise bildet die Schicht 17 mit n+-Leitfähigkeit den Emitter des Hauptthyristors 28. Über dem Emitter 15 liegt eine Metallisierungsschicht 26, die als die Ka-thodenelektrode der Pilotstufe oder die erste Kathodenelektro-lo de bezeichnet wird. In ähnlicher Weise liegt auf dem Emitter 17 eine Metallisierungsschicht 30, die die Kathodenelektrode der Hauptstufe oder die zweite Kathodenelektrode genannt wird. Der Emitter 15 und die Schicht 26 umfassen die Kathode der Pilotstufe, während der Emitter 17 und die Schicht 30 die Kais thode der Hauptstufe umfassen.

Die Metallisierungsschicht 30 liefert einen Kontakt für den Anschluss eines Endes einer Spannungsquelle relativ hoher Spannung über den Anschluss 34. Die Metallisierungsschichten 26 und 30 weisen, wenn dies erwünscht ist, übliche Emitter-20 kurzschlüsse 32 auf, die auf ihren oberen Teilen gebildet sind und sich bis in den Bereich der Schicht 14 erstrecken. Eine weitere Metallisierungsschicht 24, in der vorliegenden Anmeldung als das Gate des Elementes 10 bezeichnet, liegt auf der Kathodenbasisschicht 14. Das Gate 24 kann mit irgendeiner Quelle 25 für ein elektrisches Gatesignal über den Anschluss 22 verbunden werden. In einer Ausführungsform eines photosensitiven verstärkenden Gate-Thyristors 10 kann ein Lichtsignal auf einen Teil oder den gesamten Gatebereich 47 auftreffen. Aus diesem Grund ist die Elektrode 24 für die auftreffende Lichtstrah-30 lung durchlässig oder sie ist mit einem kleinen Bereich versehen, der ausreichend Licht auf die Oberfläche 17 in der Gateregion 47 auftreffen lässt, um das Element anzusteuern.

Eine weitere Metallisierungsschicht 20 ist unter der Schicht 18 angeordnet, und sie bildet eine Einrichtung zum Verbinden 35 des Elementes 10 mit dem anderen Ende der Quelle hoher Spannung über den Anschluss 36. Die Metallisierungsschicht 20 wird als die Anode des Elementes 10 bezeichnet.

Das Halbleiterelement 10 in Fig. 1 zeigt einen Gatebereich 47, der sich von einer Linie 12 bis zu einer Leitkante oder Ein-40 schaltlinie 70 des Pilot-Thyristors 13 erstreckt. Weiter weist das Element einen Pilot-Thyristorbereich 49 auf, der sich vom Ende des Gatebereiches 47 aus bis zum Ende des Emitters 15 des Pilot-Thyristors 13 erstreckt sowie einen Hauptthyristorbereich 51, der an der Einschaltlinie 80 beginnt und den Emitter 17 des 45 Hauptthyristors 28 umspannt. Die Leitkante des Pilot-Thyristors befindet sich auf der Seite, die der Gateregion 47 am nächsten ist, und sie ist daher leitend in bezug auf den Gatebereich. Auftretende Stossspannungen, die dem Halbleiterelement über Kathode und Anode aufgedrückt werden, können kapazitive Ladeso ströme innerhalb des Elementes 10 verursachen. Die kapazitive Ladeströme sind in Fig. 1 als eine Vielzahl von Pfeilen 41 gezeigt, die von der Anode 20 ausgehen und durch die Schichten 18, 16 und 14 in Richtung auf den oberen Teil 19 des Elementes 10 fliessen. Ein Teil der durch die Stossspannungen verursachten 55 kapazitiven Ladeströme kann als Gatestrom ausreichender Grösse auftreten, um einen kritischen Wert zu übersteigen und den Hauptthyristor 28 leitend zu machen, und auf diese Weise das Element 10 unbeabsichtigt anzuschalten. In ähnlicher Weise kann ein Teil der durch die Stossspannung erzeugten kapazitiven 60 Ladeströme 41 auch den Pilot-Thyristor 13 leitend machen und so ebenfalls das Element 10 unbeabsichtigt anschalten.

In der Ausführungsform der Fig. 1 ist eine Impedanz 11 vorgesehen, um die Empfindlichkeit des Elementes 10 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten durch Stossspannun-65 gen zu verringern. Dieses Verringern der Empfindlichkeit gegenüber unbeabsichtigtem Anschalten erhöht entsprechend die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bzw. dV/dt-Fähig-keit des Elementes 10.

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4

Die Impedanz 11 ist zwischen dem Gate 24 und der zweiten Kathodenelektrode 30 geschaltet, um einen Nebenschluss für einen Teil der durch die Stossspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme zu schaffen. Die Impedanz 11 schafft so einen Nebenschluss- oder Parallelpfad, um einen Teil der durch die Stossspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme von den Emittern 15 und 17 wegzuleiten, und die Impedanz schafft auf diese Weise einen Nebenschlusspfad für den grössten Teil der durch die Stossspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme, die innerhalb des Gatebereiches 47 fliessen.

Die Impedanzeinrichtung 11 besteht aus einem im wesentlichen verlustlos arbeitenden Kondensator, der eine relativ geringe Impedanz gegenüber raschen Stossspannungen hat. Die Verwendung eines kapazitiven Nebenschlusses erhöht die dV/dt-Fähigkeit des Halbleiterelementes, verlängert aber auch die Zeitverzögerung bis zum Anschalten des Elementes 10 und vermindert im allgemeinen die Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt des Elementes 10 etwas. Aus weiter unten angegebenen Gründen wird die Kapazität des Kondensators für die Impedanzeinrichtung 11 unter Berücksichtigung der erhöhten dV/dt-Fähigkeit, der längeren Verzögerung bis zum Anschalten und der entsprechend verminderten Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt des Elements 10 ausgewählt.

Die Verwendung eines kapazitiven Nebenschlusses 11 mit einer geringen Impedanz gegenüber durch rasche Stossspannungen erzeugten Strömen lenkt einen Teil der kapazitiven Ladeströme 41 von den Emittern 15 und 17 weg und vermindert so den von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt abgeleiteten Gatestrom, der an den Pilot-Thyristor 13 und den Hauptthyristor 28 angelegt wird. Der Gatestrom als Funktion der Zeit, der im folgenden abgekürzt Io(t) bezeichnet wird, ist in etwa durch die folgende Beziehung wiedergegeben:

IG(t) = Cj dV/dt (l-e[t/TGl) (1)

worin

Cj die Kapazität der Übergangszone des Gatebereiches 47,

t die während der Stossspannung vergangene Zeit,

Cj dV/dt die durch die Stossspannungen erzeugten kapazitiven Ladeströme und

Tg = (Cj 4- Cu) • RGk für die Zeitdauer t ist,

wobei

Cu die Kapazität der Impedanzeinrichtung 11 und

Rgk der Widerstand zwischen der Gateelektrode 24 und der zweiten Kathodenelektrode 30 ist.

Das Symbol Tg wird als die Zeitkonstante von Gate 24 zur Kathode 30 genannt. Der Wert von tg des Elementes mit einer inherenten Kapazität Cj und einem Widerstand RGKkann durch geeignete Auswahl einer Kapazität für Cu gewählt werden.

Nach einer Zeitdauer tAnstieg, wenn die Stossspannung, die den kapazitiven Ladestrom erzeugt, ausläuft, kann Ig für Zeiten grösser als tAnstieg in geeigneter Weise durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden:

Ia(t) = lG(tAnstieg) CXp (-[t-tAnstieg]/ta) (2)

worin ta die Zeitkonst'ante ist, die den Abfall von IG misst.

Die Gleichung (1) kann über die Zeitdauer tAnstieg integriert werden, um die Ladung zu bestimmen, die während tAnstieg an das Gate abgegeben wird und dann kann man das Ergebnis der Gleichung (1) für Zeiten grösser als tAnstieg zum Integral der Gleichung (2) addieren, um die insgesamt durch den dV/dt-Gatestrom an das Gate 24, an dem die Impedanzeinrichtung 11 angeschlossen ist, abgegebene Ladung zu bestimmen. Die bestimmte Ladung kann dann mit einer Ladung verglichen werden, die ohne die Kapazität der Impedanzeinrichtung 11, die zwischen Gate 24 und zweiter Kathodenelektrode 30 geschaltet ist, entwickelt worden wäre. Der sich ergebende Vergleich wäre repräsentativ für einen verbesserten dV/dt-Faktor F, der in etwa durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden kann:

F = Î (3)

1 - e-(tAnstieg/Tg)

Während die Impedanz 11 die dV/dt-Fähigkeit des Elementes 10 verbessert, verlängert sie jedoch auch die zum Anschalten des Elementes 10 erforderliche Zeit zu dem Grad, zu dem die Impedanzeinrichtung 11 Gatestrom vom Gate 24 abzieht. Bei den meisten Thyristoranwendungen für relativ langsames Schalten, wie bei Frequenzen von weniger als 1 kHz, wird ein xG in der Grössenordnung von 20 Mikrosekunden die Leistungsfähigkeit des Elementes 10 nicht beträchtlich vermindern. Wenn jedoch die Schaltgeschwindigkeit für den Thyristor höher als 1 kHz liegt, dann solte Tg normalerweise so gewählt werden, dass es nicht grösser ist als einige Mirkosekunden.

Die Impedanzeinrichtung 11 vermindert die Anstiegszeit für das normale Gatestromsignal, das an das Gate 24 gelegt wird, unter den normalen Zündbedingungen. Infolgedessen können unter solchen normalen Zündbedingungen die Anschaltgeschwindigkeit und die Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt des Elementes 10 beeinflusst werden. Um den Grad der Verminderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten eines verstärkenden Gatethyristors zu ermitteln, der den verbesserten dV/dt-Faktoren F entspricht, wurden Versuche ausgeführt, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle gezeigt sind. Diese Ergebnisse präsentieren die gemessenen Anschaltgeschwindigkeiten in dl/dt-Einheiten.

Anoden

ange

Verzöge dl/dt dl/dt spannungen

Cu näherter rungszeit

(A/p. sek) (A/|i sek)

und Gate

(HF)

F - Wert fu sek)

Thyristor

Thyristor ströme

(28)

(13)

0

1,00

6,8

200

110

0,02

1,29

8,4

200

110

0,04

1,77

10,0

200

100

VA = 400 V

0,06

2,35

11,6

200

100

IG = 200 mA

0,08

2,93

13,2

200

100

0,10

3,53

14,8

200

100

0,20

6,50

20,3

200

100

0,30

9,50

26,5

200

100

0,40

12,50

32,2

200

100

0,50

15,50

38,0

200

100

0

1,00

3,6

230

—

VA = 400 V

0,05

2,06

6,2

225

—

IG = 400 mA

0,10

3,53

8,0

225

—

0,15

5,02

9,8

220

—

0,20

6,50

11,3

220

110

0,30

9,50

14,2

215

100

0,40

12,50

16,9

210

100

0

1,00

5,1

1100

550

VA = 800 V

0,01

1,05

6,0

1150

500

IG = 200 mA

0,02

1,29

6,8

1100

480

0,04

1,77

8,3

1050

440

0,05

2,06

9,0

1000

440

0,06

2,35

9,8

1000

440

0,08

2,93

11,3

1000

420

0,10

3,53

12,5

950

410

0,20

6,5

18,3

900

400

0,30

9,5

24,0

880

360

0,40

12,5

29,5

850

360

0,60

18,5

40,5

850

360

5

10

15

20

25

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35

40

45

50

55

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5

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Die in dieser Tabelle angegebenen Werte wurden unter Verwendung der Gleichung 3 für tAnstieg = 1 Mikrosekunde rc = RgkCh bestimmt, worin Rgk = 30 Ohm und Cu den in der Tabelle angegebenen Wert aufweist, der dem entsprechenden Wert von F entspricht. Die Stromanstiegsgeschwindigkeiten dl/dt beim Anschalten sind in der Spalte für den Thyristor 28 diejenigen, die beim Anschalten des Hauptthyristors 28 aufgetreten sind. In ähnlicher Weise sind die Stromanstiegsgeschwindigkeiten dl/dt in der Spalte für den Thyristor 13 die, die während des Anschaltens des Pilot-Thyristors 13 aufgetreten sind. Die ersten vier Werte für den Pilot-Thyristor 13 bei VA = 400 Volt und Ig = 400 mA wurden, wie aus der Tabelle ersichtlich,

nicht bestimmt.

Aus der Tabelle ergibt sich, insbesondere für die Anodenspannung VA von 800 Volt und den Gatestrom Ig von 200 mA, dass die stärkste prozentuale Verminderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten für den Thyristor 13 von 550 auf 360 A/Mikrosekunden erfolgt. Der entsprechende F-Wert zeigt jedoch eine Zunahme von 1,00 bis 18,5. Eine relativ geringe Abnahme bei der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten entspricht also einer relativ grossen Verbesserung bei der dV/dt-Fähigkeit des Elementes als Ergebnis der Verwendung des Kondensations 11, ohne dass irgendwelche beträchtlichen Nachteile hinsichtlich der anderen Fähigkeiten des Elementes 10 in Kauf genommen werden müssen.

Bei einer zweiten Ausführung wird die eingebaute Isolationsschicht dazu benutzt, um eine ähnliche Funktion zu bewirken, wie sie die aussen angebrachte Impedanzeinrichtung 11 der Fig. 1 aufweist, ist in Fig. 2 gezeigt, die einen Teilquerschnitt eines verstärkenden Gate-Thyristors 40 mit einem Pilot-Thyristor 21 und einem Hauptthyristor 33 wiedergibt. Die Schichten 14, 16 und 18, die durch Stossspannungen verursachten kapazitiven Ladeströme 41, die Abschrägung 38, die Anode 20 und das Gate 24 haben eine ähnliche Struktur und Funktion wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Element 10 der Figur 1 beschrieben sind.

Der Pilot-Thyristor 21 weist einen Emitter 37 auf, der aus einer n+-Schicht hoher Leitfähigkeit gebildet ist, über dem eine Metallisierungsschicht 44 liegt, die als Kathodenelektrode der Pilot-Stufe oder erste Kathodenelektrode bezeichnet wird. In ähnlicher Weise weist der Hauptthyristor 33 einen Emitter 39 auf, der aus einer n+-Schicht hoher Leitfähigkeit gebildet ist, über der eine Metallisierungsschicht 45 liegt, die als Kathodenelektrode der Hauptstufe oder zweite Kathodenelektrode bezeichnet ist.

Eine isolierende Schicht 46, die vorzugsweise ein Oxid der Halbleiterschichten 14 und 37 umfasst, wird innerhalb der Schicht 14 und des Emitters 37 gebildet und diese isolierende Schicht 46 ist so angeordnet, um die Einschaltlinie 70 des Pilot-Thyristors 21 unter der Leitkante 48 der ersten Kathodenelektrode 44 zu berühren und zu überlappen. Das Zusammenpassen der Leitkante 48 mit der Isolationsschicht 46 führt zur Bildung einer Schichtanordnung 50. Innerhalb der Schicht 14 und dem Emitter 39 ist ebenfalls eine isolierende Schicht 54 gebildet, die die Einschaltlinie 80 des Hauptthyristors 33 unter der Leitkante 56 der zweiten Kathodenelektrode 45 berührt und überlappt. Das Zusammenpassen der Leitkante 56 mit der Isolierschicht 54 führt zur Bildung einer Schichtanordnung 57.

Beim Hauptthyristor 33 ist weiter eine Isolationsschicht 60 innerhalb der Schicht 14 und dem Emitter 39 gebildet, die vorzugsweise ein Oxid der Halbleiterschichten 39 und 14 umfasst und diese Schicht ist in einer komplementären Anordnung mit einem lokalen Bereich 58 der zweiten Kathodenelektrode 45 angeordnet, unter dem die Schicht 39 weggeätzt oder in anderer Weise entfernt worden ist. Eine Alternative zum lokalen Bereich 58 und der Isolationsschicht 60 ist eine Isolationsschicht 62, die vorzugsweise aus einem Oxid der Halbleiterschicht 14 besteht und unter der zweiten Kathodenelektrode 45 gebildet und in einem lokalen Bereich 68 angeordnet ist, in dem der Emitter 39 absichtlich nicht durch Diffundieren oder epitaxiales Aufwachsen gebildet worden war. Die isolierenden Schichten 46, 54, 60 und 62 haben eine Dicke und Ausdehnung, die in der s Weise vorbestimmt ist, dass die Kapazität der Bereiche 50, 57, 58 und 68 in der gleichen Weise kontrollieren, wie die Kapazität Cu in der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die Schichtanordnungen 50 und 70 ergeben eingebaute Nebenschlusskondensatoren für den Pilot-Thyristor 21 bzw. den io Hauptthyristor 33. Diese Kondensatoren bilden Einrichtungen zum Wegleiten der kapazitiven Ladeströme 41, die durch Stossspannungen erzeugt wurden, die zwischen Anode und zweiter Kathode aufgedrückt wurden, von Emitter 37 des Pilot-Thyristors 21 und Emitter 39 des Hauptthyristors 33. Der Ne-15 benschlusspfad für den Thyristor 21 wird durch die Schichtanordnung 50 geschaffen, die einen Teil der Kapazitiven Ladeströme 41, die von der Stossspannung herrühren, zu der ersten Kathodenelektrode 44 ablenkt. In ähnlicher Weise wird der Nebenschlusspfad für den Hauptthyristor 33 durch die Schicht-20 anordnung 57 geschaffen, die einen Teil der kapazitiven Ladeströme 41 zu der zweiten Kathodenelektrode 45 ablenkt.

Das in Fig. 2 gezeigte Element 40 mit den eingebauten Über-brückungskondensatoren 50 und 57 innerhalb des Pilot-Thyristors 21 bzw. des Hauptthyristors 33 bewerkstelligt das 25 gleiche Ergebnis wie das Element 10 mit der Impedanzeinrichtung 11 nach Fig. 1. Die Kapazitäten der eingebauten Schichtanordnungen 50 und 57 des Elementes 40 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ergeben in etwa die gleiche Verbesserung hinsichtlich des Faktors F, der in der obigen Tabelle für die entspre-30 chenden Kapazitäten von Cu aufgeführt ist, wobei die gleiche Zunahme hinsichtlich der Anschaltzeit und Abnahme der Stromanstiegsschwindigkeit wie für das Element 10 auftreten.

Die Kombination des lokalen Bereiches 58 und der isolierenden Schicht 60 schaffen eine kapazitive Art von «Emitterkurz-35 schluss» in einer durch Ätzen begrenzten Art von Emitter, wie in Fig. 2 gezeigt. In ähnlicher Weise schafft die Kombination aus isolierender Schicht 62, die unter der zweiten Kathodenelektrode 45 in einem Bereich 68 angeordnet ist, in dem das hochleitende Material des Emitters 39 entfernt worden ist, eine ka-40 pazitive Art von «Emitterkurzschluss» in einer durch Diffusion begrenzten Art von Emitter. Diese kapazitiven Emitterkurzschlüsse, die im Hauptthyristor 33 angeordnet sind, vermindern die Empfindlichkeit des verstärkenden Gate-Thyristors 40 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten in einer Weise ähn-45 lieh der, wie sie als Ergebnis üblicher Emitterkurzschlüsse erhalten wird. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse des Hauptthyristors 33 beeinträchtigen jedoch nicht die Ausbreitung eines Plasmas, das beim anfänglichen Anschalten eines Thyristors erzeugt wird, verglichen mit dem, was bei konventionellen Emit-50 terkurzschlüssen auftritt. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse des Hauptthyristors 33 erhöhen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Plasmas und vergrössern auf die Weise die Stromzunahmegeschwindigkeit des Elementes 40, während sie gleichzeitig eine hohe Spannungszunahmegeschwindigkeit aufrechterhal-55 ten.

Die Dichte und der Bereich der lokalen Region 60 oder 62 sollten so eingestellt werden, dass der in jeden fliessende dV/dt-Strom zu nicht mehr als einem 1/2 Bandspalt der Spannung über den eingebauten Kondensator führt. Dies stellt eine gerin-60 ge Unterdrückung bzw. Zurückweisung von den benachbarten Übergangszonen zwischen dem n+-Emitter und der p-Basis sicher. Einige der Emitterkurzschlüsse können konventionelle sein. So können konventionelle Emitterkurzschlüsse mit kapazitiven Kurzschlüssen abwechseln. Obwohl hauptsächlich verstär-65 kende Gate-Thyristoren beschrieben worden sind, sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung auch anwendbar ist auf andere Halbleiterelemente, wie Thyristoren und Hochspannungstransistoren. Für einen Thyristor ohne Pilot-Thyristor

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stufe zum Verstärken des Gatestromes braucht die Erfindung nur für die Haupt-Thyristorstufe angewendet zu werden. In ähnlicher Weise braucht die Erfindung für einen Hochspannungs-Transistor mit zwei Schichten abwechselnden Leitfähigkeitsmaterials ähnlich den Schichten 14 und 16 nur dazu benutzt zu werden, um den kapazitiven Ladestrom von den Emitterschichten des Transistors abzulenken, so dass sie nicht verstärkt werden.

Die Erfindung gestattet für Halbleiterelemente für hohe Spannung eine relativ grosse Verbesserung hinsichtlich der Spannunsanstiegsgeschwindigkeit bei relativ geringer Verschlechterung der anderen Parameter der Elemente. Weiter ver-s bessert die Verwendung der kapazitiven Emitterkurzschlüsse in der Emitterschicht des Haupt-Thyristors die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Elementes bei Aufrechterhaltung einer relativ hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit.

v

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiterelement für hohe Spannung, mit mindestens einer Kathode mit einer Metallisierungsschicht und einer darunterliegenden Emitterschicht, einem Gatebereich zum Signalempfang und einer Anode, die durch mehrere Schichten abwechselnden Leitfähigkeitstyp, einschliesslich einer ersten Schicht, von der Kathode getrennt ist, wobei der Gatebereich über mindestens einen Teil der ersten Schicht liegt und diese berührt, welche die Kathode mit dem Gatebereich koppelt, und die Kathode und die Anode für eine Kopplung über eine Spannungsquelle mit relativ hoher Spannung ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht (39) an einer Stelle unterbrochen ist, und sich mindestens ein vertiefter Abschnitt (58) durch die Emitterschicht (39) und in die erste Schicht (14) erstreckt und eine Oberflächenvertiefung (58) definiert, in die sich eine Isolierschicht (60) erstreckt, wobei die eine Seite des Teils der Isolierschicht (60) in der genannten Vertiefung gegen die untere Seite der Metallisierungsschicht (26, 30, 45) an derjenigen Stelle anstösst, an der die Emitterschicht (39) der Kathode (34) unterbrochen ist, dass eine andere Seite des Teils der Isolierschicht (60) in der Vertiefung (58) gegen die Vertiefungsfläche anstösst, und dass die Isolierschicht (60) zusammen mit der Emitterschicht (39) einen eingebetteten Kondensator zur Ableitung von transienten Strömen bilden, wobei die dV/dt-Fähigkeit der Vorrichtung zur Erhöhung der Geschwindigkeit dient, bei der ein bei der ursprünglichen Einschaltung der Vorrichtung erzeugtes Plasma sich ausbreitet.
2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten abwechselnden Leitfähigkeitstyps eine zweite und eine dritte Schicht aufweisen, so dass die periodisch auftretenden Stossspannungen zwischen der zweiten Kathode (30) und der Anode (20) innerhalb der ersten, zweiten und dritten Schicht kapazitive Ladeströme erzeugen, die als Gatestrom in Erscheinung treten, der an die Emitterschicht (15) der ersten Kathode (26) angelegt wird.
3. Halbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathode (26) benachbart dem Gatebereich (47) angeordnet ist, diese erste Kathode eine Einschaltlinie aufweist, die im wesentlichen an einer Vorderkante (70) der Emitterschicht (15) im Hinblick auf den Gatebereich angeordnet ist, wobei die periodischen Stossspannungen zwischen der zweiten Kathode (30) und der Anode (20) kapazitive Ladeströme innerhalb der ersten, zweiten und dritten Schicht erzeugen, die in den Emitterschichten (15, 17) der ersten (26) und zweiten (30) Kathode als Gatestrom in Erscheinung treten, wobei der kapazitive Nebenschlusspfad einen Teil der von den Stossspannungen erzeugten kapazitiven Ladeströme, die innerhalb des Gatebereiches (47) fliessen, von der Emitterschicht (17) der zweiten Kathode (30) und dem Teil der darunterliegenden ersten Schicht (14) ablenkt, so dass die durch die Stossspannungen erzeugten kapazitiven Ladeströme, die als Gatestrom in Erscheinung treten, der an die Emitterschichten der ersten und zweiten Kathode gelegt wird, vermindert sind.
4. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Gatebereiches (47) so arrangiert ist, dass er auf den Gatebereich auftreffende Lichtstrahlung empfängt, und dieser Gatebereich gegenüber der Lichtstrahlung im wesentlichen ungehindert ist.
5. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Einrichtung (11) mit der zweiten Kathode (30) verbunden ist.
6. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Einrichtung (11) mindestens eine isolierende Schicht (46) umfasst, die zwischen einer Vorderkante (70) der Emitterschicht (37) der ersten Kathode (44) und der ersten Schicht (14) liegt und so angeordnet ist, dass sie die Anschaltlinie der ersten Kathode überdeckt, wobei die Vorderkante der Emitterschicht in bezug auf den Gatebereich (24) die Vorderkante ist.
7. Halbleiterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Einrichtung eine erste (46) und eine zweite (54) isolierende Schicht umfasst, wobei die erste isolierende Schicht (46) zwischen einer Vorderkante (70) der Emitterschicht (37) der ersten Kathode (44) und der ersten Schicht (14) und so angeordnet ist, dass sie die Einschaltlinie der ersten Kathode (44) überlappt, die zweite isolierende Schicht (54) zwischen einer Leitkante (80) der Emitterschicht (39) der zweiten Kathode (45) und der ersten Schicht (14) und so angeordnet ist, dass sie die Einschaltlinie der zweiten Kathode (45) überlappt, wobei die Leitkanten der Emitterschichten Leitkanten in bezug auf die Gateregion sind.
8. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kathode (45) mindestens eine isolierende Schicht (60) aufweist, die sich in eine Ausnehmung (58) bis in die erste Schicht (14) erstreckt und mindestens eine Metallisierungsschicht aufweist, die über der isolierenden Schicht liegt und mit dieser an einem Ort zusammenstösst, an dem die Emitterschicht (39) der zweiten Kathode unterbrochen ist.
9. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kathode (45) mindestens eine isolierende Schicht (62) und mindestens eine Metallisierungsschicht umfasst, wobei die isolierende Schicht an einer Stelle (68) an der Unterseite der Metallisierungsschicht anliegt, an der die Emitterschicht (39) der zweiten Kathode unterbrochen ist.