CS199500B1

CS199500B1 - Symetrical thyristor

Info

Publication number: CS199500B1
Application number: CS860878A
Authority: CS
Inventors: Natalija A Tetervova; Jurij A Jevsejev; Anatolij N Dumanevic; Ljubomir J Racinskij
Original assignee: Natalija A Tetervova; Jurij A Jevsejev; Anatolij N Dumanevic; Ljubomir J Racinskij
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-07-31

Description

Vynález se týká polovodičových součástek, zejména symetrických tyristorů, vytvořených na bázi vícevrstvých struktur, na příklad n-p-n-p-n typu s přemostěnými vnějšími emitorovými p-n přechody.The invention relates to semiconductor devices, in particular symmetrical thyristors formed on the basis of multilayer structures, for example of the n-p-n-p-n type with bridged external emitter p-n transitions.

Je znám symetrický tyristor, vytvořený na bázi pětivrstvé struktury-typu 'n-p-n-p-n s vnějšími emitorovými přechody typu p-n, přemostěnými hlavním proudovým kontaktem. Tyristor má řídicí elektrodu, pod níž jsou uspořádány úseky n-typu a p-typu vodivosti a mezi hlavním proudovým kontaktem a řídicí elektrodou jsou uspořádány pomocné oblasti n- a p-typu vodivosti, jež jsou navzájem spojeny přídavným kovovým kontaktem. Úseky n- a p-typu vodivosti pod řídicí elektrodu jsou vytvořeny tak, že proti nim leží úseky opačného typu vodivosti pod hlavním proudovým kontaktem, kdežto přídavným kovovým kontaktem jsou spojeny pomocné oblasti n- a p-typu vodivosti tak, aby přemostěná p-n přechodu bylo provedeno ve směru hlavního proudového kontaktu, pro část struktury ze strany přiléhající k úseku p-typu vodivosti pod řídicí elektrodou a ve směru řídicí elektrody, pro část struktury ze strany přiléhající k úseku n-typu vodivosti pod řídicí elektrodou. Průmět pomocných oblastí na protilehlou povrchovou plochu struktury spadá do oblasti téhož typu vodivosti jako vodivost pomocné oblasti.A symmetric thyristor formed on the basis of a five-layer structure of the n-p-n-p-n type with external p-n type emitter transitions bridged by the main current contact is known. The thyristor has a control electrode below which n-type and p-type conductivity sections are arranged, and auxiliary regions of the n- and p-type conductivity are arranged between the main current contact and the control electrode, which are connected to each other by an additional metal contact. The n- and p-type conductivity sections below the control electrode are formed so that opposite conductive-type sections below the main current contact are opposed, while the auxiliary n- and p-type conductive areas are connected by an additional metal contact so that the bridged pn junction is provided in the direction of the main current contact, for the portion of the structure adjacent to the p-type conductivity section below the control electrode and in the direction of the control electrode, for a portion of the structure adjacent to the n-type conductivity section below the control electrode. The projection of the auxiliary areas on the opposite surface of the structure falls within an area of the same type of conductivity as the conductivity of the auxiliary area.

U známých konstrukcí symetrických tyristorů je efektivnost využití polovodičové destičky, zejména u součástek s malým výkonem, velmi malá. Kromě tohoWith known symmetric thyristor designs, the efficiency of semiconductor wafer utilization, especially for low-power components, is very low. Addition

-. 2 neni ve všech kvadrantech známých konstrukcí symetrických tyristorů s regenerativním spínáním zajištěna maximální plocha pro počáteční spínání., což vede ke snížení kritických hodnot rychlosti nárůstu anodového proudu ) ·-. 2, in all quadrants of the known symmetrical structure of symmetrical thyristors with regenerative switching, the maximum area for the initial switching is not ensured, which leads to a reduction of critical values of the anode current rise rate)

Vynález si klade za úkol vytvořit symetrický tyristor, který bv byl schopen snést vysoké kritické hodnoty rychlosti nárůstu anodového proudu při zmenšených rozměréch oblasti řízení a zabezpečovat přitom maximální spínací plochu.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a symmetrical thyristor which is able to withstand high critical values of the anode current rise rate while reducing the dimensions of the control area while providing a maximum switching surface.

Tento úkol je vyřešen tak, že v symetrickém tyristorů, vytvořeném na bázi vícevrstvé struktury, se střídajícími se vrstvami opačného typu vodivosti, vThis problem is solved so that in symmetric thyristors, formed on the basis of multilayer structure, with alternating layers of opposite

s vnějšími emitorovými p-n přechody přemostěnými hlavním proudovým kontaktem, s řídicí elektrodou, pod níž jsou uspořádány úseky n- a p-typu vodivosti a s pomocnými oblastmi p- a n-typu vodivosti, uspořádanými mezi hlavním proudovým kontaktem a řídicí elektrodou a spojenými navzájem přídavným kovovým kontaktem, podle vynálezu, leží v podstatě úseky n- a p-typu vodivosti pod řídicí elektrodou proti úsekům stejné vodivosti, uspořádaným pod hlavním proudovým kontaktem a pomocná oblast, uspořádaná mezi každou dvojicí protilehlých úseků, vykazuje opačný typ vodivosti než úseky a její průmět na protilehlou povrchovou plochu struktury spadá alespoň zčásti do oblasti opačného typu vodivosti, vystupující na tuto povrchovou plochu.with external emitter pn transitions bridged by the main current contact, with the control electrode below which the n- and p-type conductivity sections are arranged and with the auxiliary p- and n-type conductivity areas arranged between the main current contact and the control electrode and connected to each other by an additional metal With the contact according to the invention, essentially the n- and p-type conductivity sections beneath the control electrode lie opposite sections of the same conductivity arranged under the main current contact and the auxiliary area arranged between each pair of opposing sections exhibits the opposite conductivity type than the sections and its projection the opposing surface of the structure falls, at least in part, into the region of the opposite type of conductivity projecting onto the surface.

Za účelem zvýšení kritické rychlosti nárůstu anodového proudu při libovolné polaritě v řídicím obvodu a též k zajištění minimálních řídicích proudů ve čtvrtém kvadrantu (zpětné spínání kladným signálem) je účelné vytvořit oblast n-typu vodivosti v pomocné oblasti p-typu vodivosti, proti úseku p-typu vodivosti, pod řídicí elektrodou.In order to increase the critical anode current rise rate at any polarity in the control circuit and also to provide minimum control currents in the fourth quadrant (positive switching), it is expedient to create an n-type conductivity region in the auxiliary p-type conductivity region, opposite to the p- conductivity type, under the control electrode.

Symetrický tyristor podle vynálezu lze snadno zhotovit a může být uskutečněn při využití technologie fotolitografie.The symmetrical thyristor according to the invention is easy to manufacture and can be realized using photolithography technology.

V této konstrukci je zajištěn regenerativní mechanismus spínání symetrického tyristorů při minimálních řídicích proudech, přičemž se dosáhne dostateč* dl ne vysokých hodnot veličiny ďt ·In this construction, a regenerative mechanism for switching symmetrical thyristors at minimum control currents is provided, while achieving high * d values

V dalším budou popsána konkrétní provedení vynálezu, znázorněná na připojených výkresech, na nichž obr. 1 představuje pohled shora na strukturu symetrického tyristorů, řízeného ve třech kvadrantech, při využiti regenerativního mechanismu spínání, obr. 2 pohled zdola na strukturu z obr. 1, obr. 3 pohled shora na strukturu symetrického tyristorů, řízeného ve štyřech kvadrantech, při využití regenerativního mechanismu spínání, obr. 4 pohled zdola na strukturu z obr . 3, obr. 5 řez rovinou V-V-V-V struktury symetrického tyristoru z obr. 3, obr. 6 řez rovinou VI-VI-V-V struktury symetrického tyristorů z obr. 3, obr. 7 řez rovinou VII-V-V-VII struktury symetrického tyristorů z obr. 3, obr. 8 řez rovinou VIII-VIII-V-VII struktury symetrického tyristorů z obr. 3.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a top view of a three-quadrant controlled symmetric thyristor structure using a regenerative switching mechanism; FIG. 2 is a bottom view of the structure of FIG. 1; Fig. 3 is a top view of a four-quadrant controlled symmetric thyristor structure using a regenerative switching mechanism; 3, FIG. 5 is a sectional view along the plane VVVV of the symmetric thyristor structure of FIG. 3, FIG. 6 is a sectional view along the plane VI-VI-VV of the symmetric thyristor structure of FIG. 3, FIG. 8 is a section along the line VIII-VIII-V-VII of the symmetric thyristor structure of FIG. 3.

Symetrický tyristor podle vynálezu obsahuje hlavní proudový kontakt 1 (obr. 1), kterým je přemostěn vnější emitorový přeohod 2. Řídicí elektroda 2 je připojena k úsekům £ a £ η-, případně p-typu vodivosti, přičemž úseky £The symmetrical thyristor according to the invention comprises a main current contact 1 (FIG. 1), by means of which the external emitter passage 2 is bridged. The control electrode 2 is connected to the conductive conductor sections 6 and 7, respectively.

- 3 a £ jaou uspořádány tak, aby proti každému z nich ležel úsek 6. nebo £ stejného typu vodivosti pod hlavním proudovým kontaktem 1. Mezi řídicí elektrodou £ a hlavním proudovým kontaktem·1 jsou uspořádány pomocné ohla3ti 8 a £ n~, případně p-typu vodivosti, a to tak, aby každá pomocná oblast 8a £ ležela proti úseku 6, £, případně £, £ opačného typu vodivosti pod hlavním proudovým kontaktem 1 a řídicí elektrodou £.3 and 6 are arranged such that a section 6 or 6 of the same type of conductivity lies below the main current contact 1 opposite each one. Between the control electrode 6 and the main current contact 1, auxiliary blanks 8 and 8, respectively The conductivity type is such that each auxiliary area 8a 'lies opposite the conductivity section 6, 6 and 6, respectively, under the main current contact 1 and the control electrode 6.

Pomocné oblasti 8 a.£ jsou navzájem elektricky spojeny pomocí přídavného kovového kontaktu ,10.. Hlavní proudový kontakt 1, řídicí elektroda £ a kovový kontakt 10.jsou znázorněny na obr. 1 jako šrafované úseky, ohraničené částí kružnice a čárkovaně.The auxiliary areas 8 and 8 are electrically connected to each other by an additional metal contact 10. The main current contact 1, the control electrode 8 and the metal contact 10 are shown in FIG. 1 as hatched sections, delimited by a circle portion and dashed.

✓✓

Na protilehlou, to je spodní povrchovou plochu symetrického tyristoru vystupují, podle vynálezu, vrstvy 11, obr. 2 , 12, 13 n-typu vodivosti a vrstva 14 p-typu vodivosti. Hlavní proudový kontakt není na obr. 2 znázorněn. Průměty pomocných oblasti 8 (obr. 1), £ na spodní povrchovou plocht; tyristoru jsou znázorněny čárkovaně. Z toho je vidět, že každá z těchto oblastí částečně spadá do oblasti opačného typu vodivosti.On the opposite, that is, the lower surface area of the symmetric thyristor, according to the invention, the layers 11, Fig. 2, 12, 13 of the n-type conductivity and the layer 14 of the p-type conductivity project. The main current contact is not shown in FIG. 2. The projections of the auxiliary area 8 (FIG. 1) 6 on the lower surface area; thyristors are shown in dashed lines. From this it can be seen that each of these areas falls partly into the region of the opposite conductivity type.

Konstrukce symetrického tyristoru znázorněného na obr. 1 a 2 dovoluje uskutečnit jeho řízení ve třech kvadrantech, při použití regenerativního mechanismu spínání.The construction of the symmetrical thyristor shown in Figures 1 and 2 allows its control in three quadrants using a regenerative switching mechanism.

K uskutečnění řízení symetrického tyristoru ve čtyřech kvadrantech, při využití regenerativního mechanismu spínání, je určena konstrukce struktury, znázorněná na obr. 3 a 4. V tomto případě, na rozdíl od prvního provedení·, je v pomocné oblasti £ p-typu vodivosti dostatečně uspořádána oblast 15 n-typu vodivosti, proti úseku £^z p-typu vodivosti pod řídicí elektrodou £. Kromě toho jsou v pomocné oblasti 8. vytvořeny oddělovací můstky 16.The structure shown in FIGS. 3 and 4 is designed to control the symmetric thyristor in four quadrants using the regenerative switching mechanism. region 15 of n-type conductivity to a region ^of £ p-conductivity type under the gate electrode of £. In addition, separating bridges 16 are formed in the auxiliary area 8.

Obr. 5» 6, 7 a 8 jsou uvedeny za účelem objasnění činnosti symetrického tyristoru ve všech čtyřech kvadrantech a znázorňuji složité řezy vícevrstvou strukturou tyristoru. Na těchto obrázcích je jako příklad zobrazen tyristor, vytvořený ná bázi vícevrstvé struktury n-p-n-p-n typu se střídajícími se vrstvami n- a p-typu vodivosti.Giant. 5, 6, 7 and 8 are provided to illustrate the operation of a symmetric thyristor in all four quadrants and illustrate complex cross-sections through a multilayer thyristor structure. In these figures, an thyristor formed on the basis of a multi-layer structure of the n-p-n-p-n type with alternating layers of n- and p-type conductivity is shown by way of example.

Vrstva 17 představuje výchozí materiál n-typu vodivosti s malou koncentrací příměsi.Layer 17 represents a n-type conductivity starting material with a low additive concentration.

S vrstvou 17 sousedí z jedné strany vrstva 14 a z druhé strany vrstva.6, p-typu vodivosti. Ve vrstvách 14 a 6 jsou vytvořeny vrstvy 11 a 13. úseky a £ a pomocné oblasti 8. n-typu vodivosti. Na spodní: povrchové ploše struktury je nanesen hlavní proudový kontakt 18.Adjacent to the layer 17 is on one side a layer 14 and on the other a layer 6, of the β-type conductivity. In the layers 14 and 6, layers 11 and 13 are provided with sections and 6 and auxiliary regions 8 of the n-type conductivity. The main current contact 18 is applied to the bottom surface of the structure.

Symetrický tyristor podle vynálezu pracuje takto:The symmetrical thyristor according to the invention works as follows:

Činnost symetrického tyristoru v prvním kvadrantu je zřejmá z obr. 5· Nejprve spíná pomocný tyristor s katodovou oblastí 8, to je pomocná oblast a pak' je přídavným, kontaktem 10 přiveden signál do obvodu řízení hlavního tyristoru s katodovou oblastí £, to je pomocná oblast. Činnost symetrického tyristoru v druhém kvadrantu je zřejmá z obr. 6.The operation of the symmetric thyristor in the first quadrant is apparent from FIG. 5. First, the auxiliary thyristor is switched to the cathode region 8, that is, the auxiliary region, and then an additional contact 10 is applied to the main thyristor control circuit with the cathode region. . The operation of the symmetric thyristor in the second quadrant is apparent from Fig. 6.

- 4 V daném případe probíhé mechanismus spínání ve třech etapách. Spočátku spíná tyristor s katodovou oblastí, to je Ú3ek £ (.řídicí obvod), pak tyristor s katodovou oblastí 8a nakonec hlavní tyristor s katodovou oblastí 2·- 4 In this case, there is a three-stage switching mechanism. Initially switching the thyristor to the cathode region, i.e., the control circuit, then the thyristor to the cathode region 8 and finally the main thyristor to the cathode region 2.

Z obr. 7 je zřejmá činnost symetrického tyristorů ve třetím kvadrantu. Injekcí elektronů z úseku se zajišťuje spínání tyristorů s katodovou oblasti i 13 vrstva , pak začíná injektovat oblast 8, v důsledku čehož spíná hlavní tyristor s katodovou oblastí 11 (vrstva ll). V daném případě je zajištěn optimální režim činnosti tyristorů pod podmínkou, že průměty oblastí 8 a 2 na spodní povrchovou plochu struktury alespoň zčásti spadají do oblasti 14. případně 13. .Fig. 7 shows the operation of symmetric thyristors in the third quadrant. Injection of the electrons from the section provides for switching the thyristors to the cathode region 13, then starting to inject the region 8, thereby switching the main thyristor to the cathode region 11 (layer 11). In this case, an optimum mode of operation of the thyristors is provided, provided that projections of regions 8 and 2 onto the lower surface of the structure at least partially fall within regions 14 and 13 respectively.

Z obr, 8 je zřejmá Činnost symetrického tyristorů ve čtvrtém kvadrantu. Oblast 15 v pomocné oblasti 2 p-typú vodivosti slouží ke zmenšení řídicích proudů. Oblast počátečního spínání při polaritě napětí na hlavních proudových kontaktech 1, 18 a na řídicí elektrodě J, jak znázorněno na výkrese, vzniká v tyristorů s katodovou oblastí 13 dík injekci z oblasti 15. Pak je mechanismus spínání obdobný mechanismu spínání popsanému v souvislosti s obr. 7.Fig. 8 shows the operation of symmetric thyristors in the fourth quadrant. The area 15 in the auxiliary area 2 of the p-type conductivity serves to reduce the control currents. Initial switching area at voltage polarity at main current contacts 1, 18 and control electrode J, as shown in the drawing, arises in thyristors with cathode area 13 due to injection from area 15. Then, the switching mechanism is similar to the switching mechanism described with reference to FIG. 7.

V tom případě, kdy není požadováno zajištění regenerativního mechanismu epínání symetrického tyristorů ve všech čtyřech kvadrantech, může být konstrukce tyristorů podstatně zjednodušena ve shodě s obr. 1 a 2.In the case where it is not desired to provide a regenerative mechanism of symmetrical thyristor switching in all four quadrants, the design of the thyristors can be substantially simplified in accordance with Figures 1 and 2.

Takové zjednodušení konstrukce je užitečné z hlediska zlepšení spínací schopností tyristorů, neboť v. tomto případě se odstraní řada překrývajících ae průmětů oblastí s vodivostí stejnou jako vodivost vrstvy 17.Such simplification of construction is useful in improving the switching capability of the thyristors, since in this case a series of overlapping and e-projections of the regions with the conductivity equal to that of the layer 17 are removed.

Ke zlepšení tepelné stability parametrů symetrického tyristorů a též ke zvýšení odolnosti tyristorů vůči vysokým rychlostem nárůstu napětí, je účelné vytvořit oddělovací můstky v n-emitorových oblastech, jež jsou obdobné můstkům 16 (obr. 3) v pomocné oblasti 8.In order to improve the thermal stability of the symmetrical thyristor parameters as well as to increase the resistance of the thyristors to high voltage rise rates, it is expedient to provide separation bridges in the n-emitter regions similar to bridges 16 (FIG. 3) in the auxiliary region 8.

Claims

Object of the invention

1. A symmetric thyristor, based on a multilayer structure with alternating layers of opposite conductivity type, with external emitter pn transitions bridged by a main current contact, with a control electrode under which n- and p-type conductivity sections and with auxiliary areas p- and of the n-type conductivity arranged between the main current contact and the control electrode and connected to each other by an additional metal contact, characterized in that the n-and p-type sections (4,5) below the control electrode (3) lie opposite the sections (6,7) of the same conductivity arranged below the main current contact (1) and the auxiliary area (8,9) arranged between each pair of opposing sections shows the opposite conductivity type than the sections. (6.5 and 4.7) and its projection on the opposite surface of the structure falls at least in part into the region (layer 14, 13) of the opposite type of conductivity projecting onto this surface.

. Symmetrical thyristor according to claim 1, characterized in that, in the auxiliary area (9) of the p-conductivity type, opposite the conductive section (5) under the control electrode. (3) »an additional area (1>) of the n-type conductivity is formed.