DE10135983A1 - Lichtzündbarer Thyristor - Google Patents

Lichtzündbarer Thyristor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen in einem Halbleiterkörper (12) ausgebildeten Thyristor mit integrierter Licht-Überkopfzündung, in welchem der n-Emitter (1) des ersten Amplifying Gates (Zündstufe) nahezu vollständig mit einem Kontakt (2) abgedeckt ist. Dadurch wird eine möglicherweise inhomogene Bestrahlung des ersten Amplifying Gates und damit eine lokale Zündung des ersten Amplifying Gates vermieden, was insofern eine optimale Zündausbreitung gewährleistet als vermieden wird, dass das erste Amplifying Gate mit Licht bestrahlt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterkörper mit einem Thyristor der eine integrierte Licht-Überkopfzündung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufweist.
  • Ein Thyristor ist ein steuerbarer Leistungsgleichrichter, der im einfachsten Fall als Schalter für hohe Strom- und Spannungsbelastungen eingesetzt wird. Der Thyristor besteht im wesentlichen aus einer Folge von vier abwechselnd n- und p- leitend dotierten Schichten aus Halbleitermaterial. Diese Schichten wirken wie zwei Bipolartransistoren, die so zusammengeschaltet sind, dass der Kollektorstrom des einen Transistors die Basis des anderen Transistors steuert. Die äußere n-Schicht wird als die Katode bezeichnet, während die äußere p-Schicht als Anode angesehen wird. Beim Anlegen einer Anoden-Katodenspannung mit Polung in Flussrichtung (d. h. die Katode ist negativ gegenüber der Anode vorgespannt) sperrt zwar der mittlere pn-Übergang, man erhält aber eine Kennlinie des Thyristors, die jenseits der sogenannten Nullkippspannung von einem Blockierbereich mit sehr niedriger Stromdichte in einen Durchlassbereich mit rapide ansteigender Stromdichte übergeht.
  • Der Stromfluss lässt sich statt durch eine Erhöhung der angelegten Spannung ("Über-Kopf-Zünden") auch durch einen Zündmechanismus einleiten. Eine Zündung kann elektrisch durch Aufprägen eines Basisstromes oder alternativ auch durch Einstrahlen von Licht, beispielsweise eines Lichtimpuls, in einen lichtsensitiven Bereich des Thyristors ausgelöst werden. Nach dem Zünden bleibt der Stromfluss bis zum Ausschalten des Thyristors erhalten. Der Thyristor ist daher ein Bauelement, das entweder für Spannungen in beide Richtungen sperrt oder in gezündetem Zustand eine Gleichrichterkennlinie aufweist.
  • Eine gattungsgemäße Thyristor-Struktur ist beispielsweise in EP-572,826 beschrieben. Eine beispielhafte Weiterentwicklungen ist in DE 196 50 762 offenbart. Weiterhin sind Hochleistungsthyristoren und Verfahren zur Realisierung eines Überkopfzündschutzes für Hochleistungsthyristoren von H.-J. Schulze et al in "PCIM Proceedings 1996" zusammengefasst.
  • Thyristoren können, wie bereits ausgeführt, neben der elektrischen Zündung auch mittels Licht gezündet werden, beispielsweise aus einer LED. In der WO 97/44827 ist beispielhaft ein Thyristor mit integrierter Licht-Überkopfzündung im Zentralbereich beschrieben, bei dem im Zentrum einer rotationssymmetrischen Struktur eine Diode als Überspannungsschutz integriert ist, die im Fall von Überspannungen einen Zündvorgang in den zentralen Bereich des Thyristors verlagert (BOD, Breakover Diode).
  • Der Querschnitt eines solchen Thyristors ist in der Fig. 1 dargestellt. An der anodenseitigen Basiszone 9 vom ersten Leitungstyp grenzt eine katodenseitigen Basiszone 8 vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp. Rings um die BOD-Struktur schließen sich mehrere Thyristorstrukturen als Amplifying- Gate-Strukturen (AG) 1 mit jeweiligen katodenseitigen Emitterzonen 1 und darauf aufgebrachten Kontakten 2 an, die den durch Lichteinstrahlung im Zentrum eingeleiteten Zündvorgang sich nach außen ausbreiten lassen, allerdings begrenzt durch den integrierten Widerstand 3.
  • Die innersten dieser Thyristorstrukturen (d. h. insbesondere das erste Amplifying-Gate) sind häufig durch die niedrige p- Dotierung des katodenseitigen Basisbereichs 4 und dessen Länge D an die für die Zündung des Thyristors erforderliche Lichtempfindlichkeit angepasst. Der Anodenkontakt 6 ist ebenfalls eingezeichnet. Die eigentliche Katode des Thyristors befindet sich in einem äußeren Kranz der Schichtstruktur und ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
  • Bei Lichteinfall auf den lichtempfindlichen Bereich 11 des Thyristors (z. B. mittels Lichtimpuls oder einer Folge von Lichtimpulsen) werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt und anschließend im elektrischen Feld der Raumladungszone dieser Elektrode getrennt. Die Löcher fließen als Löcherstrom über die p-Basis zur Hauptkatode ab. Wenn dieser Strom hinreichend groß ist, zündet er das erste Amplifying Gate, dieses wiederum liefert den Zündstrom für das zweite Amplifying Gate usw. bis schließlich die Hauptkatode gezündet wird.
  • Thyristoren werden unter anderem in Hochspannungsanlagen zum Schalten sehr hoher Spannungen im Bereich von beispielsweise 50 Kilovolt eingesetzt.
  • Bei Hochspannungsanlagen werden zu diesem Zweck mehrere Thyristoren, die jeweils eine Spannungsfestigkeit von einigen Kilovolt aufweisen, in Reihe geschaltet. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass diese in Reihe zueinander geschalteten Thyristoren immer gleichzeitig gezündet werden müssen. Zündet beispielsweise einer der Thyristoren zeitverzögert, so liegt an ihm für kurze Zeit die gesamte Hochspannung an. Der lediglich für einige Kilovolt ausgelegte Thyristor wird dadurch sehr schnell zerstört, wodurch die Hochspannungsschaltanlage nicht mehr funktionsfähig ist. Der Überkopfzündschutz ist dabei in Hochleistungsthyristoren von großer Bedeutung, weil er ihn vor der Zerstörung beim Auftreten von Überspannungen schützt.
  • Eine spezifische Gefahr bei Thyristoren mit integrierter Licht-Überkopfzündung im Zentralbereich ist die inhomogene Bestrahlung insbesondere des ersten Amplifying Gates. Um eine optimale Zündausbreitung zu gewährleisten, sollte der Photodiodenstrom das erste Amplifying Gate gleichmäßig und winkelunabhängig ansteuern. Insbesondere sollte verhindert werden, dass das erste Amplifying Gate, dessen Zündempfindlichkeit in der Regel vergleichsweise hoch ist, inhomogen mit Licht bestrahlt wird, damit es nicht zu einer lokalen Zündung des ersten Amplifying Gates kommt, da dann häufig nur Teile des ringförmig ausgelegten ersten Amplifying Gates durchschalten. Unter ungünstigen Bedingungen kann es dann sogar zu einer Zerstörung in diesem Bereich kommen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen lichtzündbaren Thyristor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile weitgehend vermieden werden. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen lichtzündbaren Thyristor bereitzustellen, in welchem die Robustheit beim Zünden über optische Lichtwellenleiter verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
  • Der erfindungsgemäße Halbleiterkörper mit integriertem lichtzündbaren Thyristor weist auf:
    • - mindestens eine anodenseitige Basiszone vom ersten Leitungstyp und mindestens eine daran angrenzende katodenseitige Basiszone vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp,
    • - mindestens eine anodenseitige Emitterzone des zweiten Leitungstyps,
    • - Amplifying-Gate-Strukturen (AG) mit jeweiligen katodenseitigen n-Emitterbereichen des ersten Leitungstyps und darauf aufgebrachten Kontakten, die den durch Lichteinstrahlung im Zentrum eingeleiteten Zündvorgang sich nach außen ausbreiten lassen.
  • Der Thyristor kann gegebenenfalls zudem einen zentralen Bereich haben, der eine den übrigen Bereichen des Thyristors und gegenüber dem Rand des Halbleiterkörpers verminderte Durchbruchspannung aufweist.
  • Dabei ist erfindungsgemäß der n-Emitter mindestens des ersten Amplifying Gates (Zündstufe), welches sich in der Nähe des Durchbruchbereichs und damit des optischen Zündstrahls befindet, erfindungsgemäß größtenteils, vollständig oder darüber hinaus mit einem Kontakt abgedeckt.
  • Um eine inhomogene Bestrahlung insbesondere des ersten Amplifying Gates möglichst weitgehend auszuschließen wird demzufolge erfindungsgemäß der n-Emitter des ersten Amplifying Gates möglichst vollständig mit einer Metallschicht abgedeckt. In Abgrenzung zu herkömmlichen lichtzündbaren Thyristoren, wo lediglich die äußere Hälfte des n-Emitterrings mit einem Kontakt abgedeckt ist, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine weitest gehende Abdeckung realisiert. Der Abdeckungsgrad überschreitet in jedem Fall 50% (deutlich) und ist dabei bevorzugt vollständig.
  • Als wesentlicher Vorteil der Methode einer weitgehenden oder vollständigen Abdeckung des ersten Amplifying Gates ist insbesondere die Tatsache zu sehen, dass hierbei der Lichteinfall auf den offenliegenden Thyristorbereich weitgehend homogen erfolgt, da die Lage dieses offenliegenden Bereiches über Fototechnikprozesse sehr genau eingestellt werden kann.
  • Um selbst den geringsten Lichteinfall auf den n-Emitter des ersten Amplifying Gates zu verhindern, sollte zumindest der gesamte n-Emitter wenigstens des ersten Amplifying Gates (Zündstufe) mit einer lichtdurchlässigen Schicht, beispielsweise einer Metallschicht, abgedeckt werden, d. h. die Metallisierung muss noch weiter in den zentralen Bereich in die Nähe des BOD geführt werden. In dieser Ausführungsform, wo wenigstens der gesamte n-Emitter des ersten Amplifying Gates vollständig von einer Metallschicht abgedeckt wird, muss allerdings eine elektrisch isolierenden Schicht zwischen der Metallisierung des Amplifying Gates und der innen liegenden p+-Schicht verhindern, dass die p+-Zone und der n-Emitter kurzgeschlossen werden. Dies kann mittels einer elektrisch isolierende Teil-Schicht wie beispielsweise durch Aufbringen einer lokalen Schicht von SiO2 oder Siliziumnitrid-Schicht erreicht werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
  • Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt eines eingangs beschriebenen lichtzündbaren Thyristors mit radialsymmetrischer Zündstruktur.
  • Fig. 2 und 3 zeigen einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen lichtzündbaren Thyristors im Bereich des BOD und des anschließenden ersten Amplifying Gates, d. h. dort, wo sich der lichtempfindliche Bereich 11 befindet.
  • In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, in welcher der n-Emitter 1 des ersten Amplifying Gates fast vollständig von einem Kontakt 2 belegt ist, d. h. er weist eine zum Scheibenmittelpunkt hin vorgezogene Metallschicht 2 auf. Der Innenradius rM,i ist jedoch größer als der Innenradius rE,i der darunter befindlichen Emitterschicht 1. Damit wird eine Bestrahlung des n-Emitters 1 durch den zündenden Lichtimpuls weitestgehend verhindert. Eine inhomogene Zündung des ersten Amplifying Gates wird dadurch weitgehend ausgeschaltet, die Robustheit beim Zünden über optische Lichtwellenleiter ist stark verbessert.
  • Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen lichtzündbaren Thyristors im zentralen Bereich des Bauelements und des anschließenden ersten Amplifying Gates, d. h. dort wo sich der lichtempfindliche Bereich 11 befindet. In Fig. 3 wird eine Ausführungsform illustriert, in welcher der n-Emitter 1 des ersten Amplifying Gates mehr als vollständig vom Kontakt 2 überdeckt ist, d. h. das ersten Amplifying Gates weist eine zum Bauelementmittelpunkt hin vorgezogene Metallschicht auf.
  • Der Innenradius rM,i ist hier kleiner als der Innenradius rE,i der darunter befindlichen Emitterschicht. Damit ist der n- Emitter 1 des ersten Amplifying Gates über seine Gesamtfläche hinaus mit einer Metallschicht 2 abgedeckt. Eine elektrisch isolierende Schicht 14 aus SiO2 oder Siliziumnitrid zwischen einem Teil der Metallschicht (Metallisierung) 2 des ersten Amplifying Gates und der innen liegenden p+-Schicht verhindert, dass die p+-Zone und der n-Emitter kurzgeschlossen wer den. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Bestrahlung des n+-Emitters 1 durch den zündenden Lichtimpuls vollständig verhindert. Eine inhomogene Zündung des ersten Amplifying Gates wird dadurch ausgeschlossen, wodurch die Robustheit beim Zünden über optische Lichtwellenleiter optimiert wird.

Claims (6)

1. In einem Halbleiterkörper (12) integrierter Thyristor mit integrierter Licht-Überkopfzündung
mit mindestens einer anodenseitigen Basiszone (9) vom ersten Leitungstyp und mindestens einer daran angrenzenden katodenseitigen Basiszone (8) vom entgegengesetzten zweiten Leitungstyp,
mit mindestens einer anodenseitigen Emitterzone (10) des zweiten Leitungstyps und
mit Amplifying-Gate-Strukturen (AG) mit katodenseitigen n-Emitterbereichen (1) des ersten Leitungstyps und darauf aufgebrachten Kontakten (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass der n-Emitter (1) mindestens eines ersten Amplifying Gates zumindest größtenteils mit einem Kontakt (2) abgedeckt ist.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im wesentlichen der gesamte n-Emitter (1) des ersten Amplifying Gates mit einem Kontakt (2) abgedeckt ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte n-Emitter (1) des ersten Amplifying Gates mit einem Kontakt (2) abgedeckt ist, wobei zwischen dem Kontakt (2) des ersten Amplifying Gates und einem Teil der innen liegenden p+-Schicht eine elektrisch isolierende Schicht (14) vorhanden ist.
4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der n-Emitter (1) des ersten Amplifying Gates mit einem Kontakt (2) über die Emitterfläche hinaus abgedeckt ist, wobei zwischen einem Teil des Kontakts (2) des ersten Amplifying Gates und einem Teil der innen liegenden p+- Schicht eine elektrisch isolierende Schicht (14) vorhanden ist.
5. Thyristor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (14) eine SiO2-- oder eine Siliziumnitrid-Schicht ist.
6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (2) eine Metallschicht ist.
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SCHULZE, H.-J. et al., in: PC/M Proceedings 1996 *

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