DE102004025082A1 - Elektrisch und durch Strahlung zündbarer Thyristor und Verfahren zu dessen Kontaktierung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit einer strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur (20) und eine in lateraler Richtung dazu beabstandete Gateelektrode (92) sowie mit einer Zündstufenstruktur, die wenigstens eine Zündstufe (51, 91) mit einem n-dotierten Hilfsemitter (51) aufweist, der mit der p-dotierten Basis (6) einen pn-Übergang (55) ausbildet, wobei der Thyristor sowohl elektrisch als auch durch Strahlung zündbar ist. DOLLAR A Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kontaktierung eines durch Strahlung zündbaren Thyristors mit einer Gateelektrode (92), bei dem ein an die Geometrie der Gateelektrode (92) angepasster Kontaktstempel (200) an den Thyristor angepresst wird, sowie ein Verfahren zur Überwachung des Zündvorgangs eines durch einfallende Strahlung gezündeten Thyristors, wobei die an der Gateelektrode (92) bzw. der elektrisch leitfähigen Elektrode (105, 201) anliegende elektrische Spannung überwacht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Thyristor, der sowohl elektrisch als auch durch Strahlung zündbar ist.
  • Ein derartiger Thyristor ist beispielsweise aus der DE 37 06 255 C2 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Thyristor ist lichtzündbar und weist darüber hinaus einen Gatekontakt für eine elektrische Zündung auf.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrisch und durch Strahlung zündbaren Thyristor, ein Verfahren zur Kontaktierung eines solchen Thyristors und ein Verfahren zur Überwachung eines Zündvorgangs eines Thyristors zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Kontaktierung eines Thyristors gemäß Anspruch 24 sowie durch ein Verfahren zur Überwachung des Zündvorgangs eines Thyristors gemäß Anspruch 30 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Thyristor weist eine Halbleiterstruktur mit einem Halbleiterkörper auf, in dem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Des weiteren weist die Halbleiterstruktur eine strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur, eine in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu der Durchbruchstruktur angeordneten Gateelektrode und eine Zündstufenstruktur, die wenigstens eine Zündstufe mit einem n-dotierten Hilfsemitter umfasst, der mit der p-dotierten Basis einen pn-Übergang ausbildet, auf.
  • Der n-dotierte Hilfsemitter einer Zündstufe ist in die p-Basis eingebettet und erstreckt sich vorzugsweise bis zur Vorderseite des Halbleiterkörpers, d.h. bis zu der dem p-dotierten Emitter abgewandten Seite des Halbleiterkörpers.
  • Aufgabe der Zündstufe ist es, einen über den pn-Übergang zwischen p-Basis und Hilfsemitter fließenden Strom zu verstärken und innerhalb der p-dotierten Basis in Richtung einer nächsten Zündstufe weiterzuleiten. Die Richtung dieses vorzugsweise in lateraler Richtung in der p-dotierten Basis fließenden Stromes wird auch als Zündstromrichtung bezeichnet. Die Zündstromrichtung ist von der Bauform des Thyristors abhängig. Bei einem rotationssymmetrisch aufgebauten Thyristor verläuft der Zündstrom in radialer Richtung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist bei Vorhandensein mehrerer Zündstufen wenigstens eine der Zündstufen eine an der Vorderseite angeordnete Elektrode auf, die sowohl den n-dotierten Hilfsmitter als auch die p-dotierte Basis kontaktiert. Diese Elektrode ist bevorzugt aus Metall wie z.B. Aluminium gebildet. Ebenso kann die Elektrode auch aus stark n-dotiertem Polysilizium gebildet sein.
  • Der erfindungsgemäße Thyristor kann sowohl elektrisch durch Anlegen einer Spannung an die Gateelektrode als auch durch auf die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur einfallende Strahlung gezündet werden.
  • Wird der Thyristor durch einfallende Strahlung gezündet, so entsteht im Bereich der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur ein Zündstrom, der sich in der p-dotierten Basis in der Zündstromrichtung in Richtung des n-dotierten Emitters ausbreitet und der mittels der Zündstufenstruktur verstärkt wird. Der Zündvorgang des Thyristors ist abgeschlossen, wenn der verstärkte Zündstrom den n-dotierten Hauptemitter erreicht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur als BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode), d.h. als Durchbruchsdiode ausgebildet.
  • Die Zündstufenstruktur besteht vorteilhafterweise aus mehreren Zündstufen, um den Zündstrom von Zündstufe zu Zündstufe zu verstärken. Diese Zündstufen der Zündstufenstruktur sind derart aufeinander und auf die Durchbruchstruktur abgestimmt, dass die Zündung ausgehend von der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur bis hin zum n-dotierten Hauptemitter kontrolliert abläuft.
  • Um den erfindungsgemäßen Thyristor auch elektrisch zünden zu können, ist die Gateelektrode vorgesehen, die auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist und über die der Thyristor durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung gezündet werden kann. Bei Anlegen eines elektrischen Zündimpulses breitet sich ein Zündstrom ausgehend von dem Bereich der Gateelektrode in Richtung des n-Hauptemitters aus.
  • Bevorzugt ist die Gateelektrode in lateraler Richtung zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur und dem n-dotierten Emitter angeordnet.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Zündstufenstruktur aus wenigstens einer inneren Zündstufe und wenigstens einer äußeren Zündstufe, wobei die wenigstens eine innere Zündstufe in lateraler Richtung zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur und der Gateelektrode angeordnet ist und die wenigstens eine äußere Zündstufe in lateraler Richtung zwischen der Gateelektrode und dem n-dotierten Emitter angeordnet ist. Ein an der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur erzeugter Zündstrom passiert bei einer solchen Anordnung in Zündstromrichtung zunächst die innere Zündstufe, anschließend die Gateelektrode und dann die äußere Zündstufe, bevor der n-Hauptemitter erreicht wird. Der Zündstrom wird dabei von Zündstufe zu Zündstufe verstärkt.
  • Über die Gateelektrode, die zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur und dem n-dotierten Hauptemitter angeordnet ist, kann die elektrische Spannung in der p-Basis erfasst werden, um den Zündvorgang zu überwachen. Erreicht bei einer Lichtzündung der sich in der p-dotierten Basis von der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur in Richtung des n-dotierten Emitters ausbreitende Zündstrom die Gateelektrode, so verändert sich die dort anliegende elektrische Spannung, deren Überwachung eine Überwachung des Zündvorgangs ermöglicht. Die hierdurch erhaltene Information kann beispielsweise dazu verwendet werden, den Thyristor abzuschalten oder anderweitig zu beeinflussen oder aber eine externe Schaltung anzusteuern.
  • Um den sich in der p-dotierten Basis ausbreitenden Zündstrom insbesondere bei einer Zündung durch einfallende Strahlung zu begrenzen, ist es vorgesehen, in einem Abschnitt der p-dotierten Basis den elektrischen Widerstand zu erhöhen. Dabei ist die Gateelektrode in lateraler Richtung bevorzugt zwischen diesem Abschnitt und dem n-dotierten Emitter angeordnet. Wird der Thyristor bei dieser Anordnung durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Gateelektrode gezündet, so kommt es zu keiner Begrenzung des Zündstromes durch diesen Abschnitt der p-Basis mit erhöhtem elektrischen Widerstand.
  • Alternativ kann die Gateelektrode in lateraler Richtung sowohl zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur und dem Abschnitt der p-dotierten Basis mit erhöhtem elektrischen Widerstand als auch innerhalb des Abschnitts der p-dotierten Basis mit erhöhtem elektrischen Widerstand angeordnet sein.
  • Weiterhin ist es vorgesehen, mehrere derartiger Abschnitte mit erhöhtem elektrischen Widerstand in der p-dotierten Basis anzuordnen, wobei jeder einzelne dieser Abschnitte so angeordnet sein kann wie der oben beschriebene Abschnitt. Um dabei insbesondere ein optimales Zündverhalten zu erreichen, können verschiedene solche Abschnitte gleiche oder verschiedene absolute oder spezifische Widerstandswerte aufweisen.
  • Zum Schutz vor elektrischen Überschlägen insbesondere im Bereich der inneren Zündstufen und/oder den Bereichen der p-Basis mit erhöhtem Widerstand ist es vorteilhaft, die Vorderseite des Thyristors einschließlich gegebenenfalls daran angeordneter Elektroden bereichsweise mit einem Schutzlack zu versehen. Der Schutzlack sollte eine möglichst hohe Dielelektrizitätskonstante aufweisen. Die Dicke der Schutzlackschicht kann bis zu einige 100 μm betragen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der mit einem Schutzlack versehene Bereich zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur und der Gateelektrode. Um eine elektrische Druckkontaktierung der Gateelektrode beispielsweise durch einen Kontaktstempel nicht zu beeinträchtigen, ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Schutzlackschicht geringer ist als die vertikale Abmessung der Gateelektrode.
  • Der Thyristor weist beispielsweise einen Zentralbereich auf, in dem die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur und zumindest eine Zündstufe der Zündstruktur angeordnet sind, und kann insbesondere rotationssymmetrisch aufgebaut sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Gateelektrode und/oder wenigstens ein Hilfsemitter ebenfalls zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch und bevorzugt kreisring förmig ausgebildet sind. Der Zentralbereich liegt bei dieser Ausführungsform im Bereich der Symmetrieachse.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der Gateelektrode eines erfindungsgemäßen Thyristors ist ein Kontaktstempel vorgesehen, der an die Gateelektrode angepresst wird.
  • Optional weist der Kontaktstempel eine Konturierung wie z.B. einen Vorsprung, eine Nase, eine Stufe, eine Nut, eine Rille oder dergleichen auf, um ein Verrutschen oder ein Abrutschen von der Gateelektrode in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers zu verhindern. Diese Konturierung ist so ausgebildet, dass sie mit einer zu ihr komplementären, am Halbleiterkörper angeordneten Konturierung und/oder mit der Gateelektrode zusammenwirkt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Kontaktstempel auch durch ein Gehäuse des Thyristors in seiner vorgesehenen, die Gateelektrode kontaktierenden Position gehalten werden.
  • Damit eine gegebenenfalls auf einen Bereich der Vorderseite des Halbleiterkörpers aufgebrachte Schutzlackschicht durch den Kontaktstempel nicht beschädigt wird, muss der Abstand des an die Gateelektrode gepressten Kontaktstempels von der Vorderseite in diesem Bereich größer oder gleich der Dicke der Schutzlackschicht sein.
  • Um den erfindungsgemäßen Thyristor sowohl elektrisch als auch durch einfallende Strahlung zünden zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktstempel einen Strahlungskanal aufweist, um einfallende Strahlung in den Bereich der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur zu leiten.
  • Der Strahlungskanal kann optional mit einem Fenster, einer Linse, einem Prisma, einem Filter oder einem anderen strahlungsdurchlässigen optischen Element versehen sein, das für die zur Zündung des Thyristors erforderliche Strahlung durch lässig ist und das die einfallende Strahlung zur strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur leitet.
  • Falls es für bestimmte Anwendungen nicht erwünscht oder erforderlich sein sollte, den Thyristor durch Strahlung zu zünden, kann auch ein Kontaktstempel eingesetzt werden, der keinen Strahlungskanal aufweist oder dessen Strahlungskanal mit einem einfallende Strahlung abhaltenden Element versehen ist. Der Thyristor kann über den Kontaktstempel dann nur mittels einer elektrischen Spannung gezündet werden.
  • Entsprechend umgekehrt kann auch ein Kontaktstempel verwendet werden, der einen Lichtkanal aufweist, der jedoch gegenüber der Gateelektrode elektrisch isoliert ist. Bevorzugt weist ein derartiger Kontaktstempel zwei zueinander komplementäre Konturierungen auf, von denen eine am Thyristor und die andere am Kontaktstempel angeordnet ist, und die zur Fixierung des Kontaktstempels gegenüber dem Thyristor dienen.
  • Außerdem ist es vorgesehen, den Thyristor optisch durch einfallende Strahlung und elektrisch durch einen elektrischen Zündimpuls zeitgleich oder zeitlich versetzt zu zünden.
  • Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Thyristor ein Universalthyristor bereitgestellt, der auf einfache Weise an den jeweiligen Bedarf anpassbar ist, ohne dass eine Änderung am Thyristor selbst vorgenommen werden muss.
  • Optional kann ein erfindungsgemäßer Thyristor auch noch eine oder mehrere integrierte Schutzfunktionen in beliebigen Kombinationen aufweisen.
  • Eine solche Schutzfunktion stellt eine bereits erwähnte BOD-Struktur dar. Sie schützt den Thyristor vor Überspannung und kann so eingestellt werden, dass der Thyristor am Ort dieser BOD-Struktur sicher zündet, wenn eine in Vorwärtsrichtung anliegende Spannung einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.
  • Eine extern ausgeführte bzw. nicht integrierte Überspannungsschutzfunktion bei einem elektrisch zündbaren Thyristor ist z.B. aus L.O. Eriksson et al., Conc. Record of the 1990 IEEE Industrial Applications Society Annual Meeting, Band 2, Seit 1648-1657, bekannt.
  • Weitere Schutzfunktionen sind beispielsweise eine dU/dt-Schutzfunktion oder eine tq-Schutzfunktion. Die dU/dt-Schutzfunktion stellt sicher, dass der Thyristor auch dann ordnungsgemäß zündet, wenn eine in Vorwärtsrichtung am Thyristor anliegende Spannung sehr schnell ansteigt. Eine solche dU/dt-Schutzfunktion ist beispielsweise in der Veröffentlichung H.-J. Schulze et al.: ISPSD 2000, Toulouse, S. 267-270, näher erläutert.
  • Mittels einer tq-Schutzfunktion, wie sie z.B. in der DE 199 47 028 A1 beschrieben ist, wird ein Thyristor gegenüber dynamischen Spannungstransienten, die innerhalb der Freiwerdezeit auftreten, geschützt (Freiwerdezeitschutz).
  • Bei einem erfindungsgemäßen und prinzipiell sowohl durch einen Licht- als auch durch einen Stromimpuls zündbaren Thyristor kann durch eine geeignete Vorrichtung wie beispielsweise einen entsprechenden Kontaktstempel erreicht werden, dass der Thyristor nur durch Licht, nur durch einen elektrischen Zündimpuls oder aber durch Licht und durch einen elektrischen Zündimpuls gezündet werden kann.
  • Des Weiteren kann man in einen solchen Thyristor beliebige Schutzfunktionen, insbesondere die oben genannten Funktionen Überspannungsschutz, dU/dt-Schutz und Freiwerdezeitschutz, miteinander kombinieren, wobei es grundsätzlich auch möglich ist, keine Schutzfunktion vorzusehen.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt eines Thyristors in Seitenansicht im Querschnitt,
  • 2 einen Kontaktstempel mit einem Strahlungskanal im Querschnitt,
  • 3 einen Kontaktstempel gemäß 2 mit einem im Strahlungskanal angeordneten, strahlungsdurchlässigen Element im Querschnitt,
  • 4 einen Kontaktstempel mit einem als strahlungsdurchlässiges Element ausgebildeten Innenkörper im Querschnitt,
  • 5 einen Kontaktstempel gemäß 4, jedoch mit einem strahlungsundurchlässigen Innenkörper im Querschnitt,
  • 6 einen Kontaktstempel mit einem Innenkörper, der eine Isolierung aufweist im Querschnitt, und
  • 7 eine Bauelementeanordnung mit einem erfindungsgemäßen Thyristor und einem erfindungsgemäßen Kontaktstempel im Querschnitt.
  • Der in 1 nur ausschnittsweise dargestellte Thyristor ist symmetrisch zu der gestrichelt eingezeichneten Achse A-A, die durch den Mittelpunkt des Bauelements verläuft, aufgebaut. Das Bauelement ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu dieser Achse A-A und damit in einer nicht näher dargestellten Draufsicht kreisförmig ausgebildet.
  • Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1 mit einer Vorderseite 11 und einer der Vorderseite abgewandten Rückseite. In dem Halbleiterkörper sind in einer vertikalen Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 8, eine sich an den p-dotierten Emitter anschließende n-dotierte Basis 7, ei ne sich an die n-dotierte Basis anschließende p-dotierte Basis 6 und ein n-dotierter Emitter 5, der in die p-dotierte Basis 6 eingebettet ist, angeordnet. Der p-dotierte Emitter 8 und die n-dotierte Basis 7 werden auch als anodenseitiger Emitter und anodenseitige Basis bezeichnet, und die p-dotierte Basis 6 und der n-dotierte Emitter 5 werden entsprechend auch als kathodenseitige Basis und kathodenseitiger Emitter bezeichnet.
  • Im zentralen Bereich des Bauelements ist eine als BOD-Struktur ausgebildete Durchbruchstruktur 10 vorhanden, die dadurch gebildet ist, dass sich die n-dotierte Basis 7 in diesem Bereich weiter als in den übrigen Bereichen bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers erstreckt und indem benachbart zu diesem Bereich gekrümmte Abschnitte 61, 62 der p-Basis 6 gebildet sind. Im Bereich der gekrümmten Abschnitte 61, 62 ist die Feldstärke bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, bei der der pn-Übergang zwischen der n-Basis und der p-Basis gesperrt ist, gegenüber der Feldstärke in übrigen Bereichen des Bauelements erhöht, wodurch der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs in dem Bauelement auf den Bereich dieser BOD-Struktur festgelegt ist.
  • Vorzugsweise ist zwischen den gekrümmten Abschnitten 61, 62 der p-Basis 6 und den sich daran anschließenden Abschnitten der p-Basis 6 eine schwächer p-dotierte Zone 63 vorhanden.
  • Die BOD-Durchbruchstruktur 10 definiert die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung, wobei der Thyristor zündet, wenn ein Lawinendurchbruch im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auftritt.
  • Diese Zündung kann durch Anlegen einer hohen Vorwärtsspannung oder bei anliegender Vorwärtsspannung auch durch einfallende Strahlung ausgelöst werden, die im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auf die Vorderseite trifft. Die einfallende Strahlung ist bevorzugt Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 800 nm bis 1000 nm.
  • Der n-dotierte Emitter 5 bildet den Hauptemitter des Bauelements, der mit einer Hauptelektrode 9 kontaktiert ist. Neben diesem Hauptemitter sind ein oder mehrere Hilfsemitter 51 vorgesehen. 1 zeigt mehrere solcher Hilfsemitter 51, die in lateraler Richtung beabstandet zueinander zwischen dem Zentralbereich mit der BOD-Struktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 angeordnet sind. Jeder dieser Hilfsemitter 51 ist durch eine Elektrode 91 kontaktiert, die den Hilfsemitter und die umliegende p-dotierte Basis 6 kurzschließt. Jeweils einer der Hilfsemitter 51 und eine den Hilfsemitter 51 kontaktierende Elektrode 91 bilden jeweils eine Zündstufe einer Zündstufenstruktur, die auch als Amplifying-Gate-Struktur (AG-Struktur) bezeichnet wird. Diese Zündstufenstruktur sorgt für eine Verstärkung des beim Lawinendurchbruch einsetzenden Zündstromes und bewirkt eine schnelle und gleichmäßige Ausbreitung des Zündstromes in der p-Basis 6 und damit eine schnelle und gleichmäßige Zündausbreitung in dem Bauelement. Die einzelnen Zündstufen 51, 91 (1.AG bis 5.AG) zünden bei einem Lawinendurchbruch in radialer Richtung des Bauelements von innen nach außen aufeinanderfolgend.
  • Um den in der Basis beim Zündvorgang radial nach außen in Richtung des Hauptemitters fließenden Stromes zu begrenzen, umfasst die p-Basis 6 vorzugsweise einen schwächer dotierten Abschnitt 64 zwischen zwei der AG-Strukturen. In dem dargestellten Beispiel ist dies der Abschnitt 64 der p-Basis, der zwischen der ausgehend von dem Zentralbereich dritten AG-Struktur (3. AG) und vierten AG-Struktur (4. AG) liegt.
  • Die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung ist bestimmt durch die Geometrie der p-Basis und der n-Basis im Bereich der BOD-Struktur 10 und durch die Dotierungskonzentration im Bereich der p-Basis 6 und der n-Basis 7 im Bereich der BOD-Struktur.
  • An der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 ist eine Gateelektrode 92 angeordnet, über die der Thyristor durch Anlegen einer externen Zündspannung elektrisch gezündet werden kann.
  • Zum Anlegen einer Zündspannung und/oder Zuführen eines Strahlungsimpulses ist bezugnehmend auf 2 vorzugsweise ein Kontaktstempel 200 vorhanden, der bezüglich seiner Abmessungen auf den Thyristor abgestimmt ist. 2 zeigt den Zentralbereich des Thyristors 1 mit dem darauf aufgebrachten Kontaktstempel 200 in Seitenansicht im Querschnitt. Auf die Vorderseite 11 des Thyristors ist in einem Bereich, der innerhalb der ringförmig ausgebildeten Gateelektrode 92 liegt, eine Schutzlackschicht 95 insbesondere zum Schutz vor elektrischen Überschlägen aufgebracht, deren Dicke bis zu einigen 100 μm betragen kann. Die Schutzlackschicht bedeckt die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 und die in diesem Bereich angeordneten Elektroden 91 der Zündstufen, wobei der Bereich oberhalb der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur 20 ausgenommen ist. Die Schutzlackschicht kann auch für optische Strahlung durchlässig ausgebildet sein. In diesem Fall bedeckt die Schutzlackschicht bevorzugt auch den Bereich der Vorderseite 11 oberhalb der strahlungsempfindlichen Durchbruchbruchstruktur 20.
  • Der Kontaktstempel 200 wird durch eine äußere Kraft an die Vorderseite 11 des Thyristors angepresst, so dass eine Kontaktfläche 201a des Kontaktstempels 200 die Gateelektrode elektrisch leitend kontaktiert.
  • Der Kontaktstempel 200 ist rotationssymmetrisch aufgebaut und weist ein elektrisch leitendes Element 201 auf, dessen Geometrie an die Geometrie der Gateelektrode 92 angepasst ist und das eine Kontaktfläche 201a aufweist, die die Gateelektrode 92 kontaktiert. Das elektrisch leitende Element 201 ist hülsenförmig mit einem kreisförmigen Querschnitt ausge bildet, dessen bevorzugte Dicke dm zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt.
  • Das elektrisch leitende Element 201 weist im Bereich seiner Kontaktfläche 201a eine Stufe 201b auf, um ein Verrutschen oder ein Abrutschen des Kontaktstempels 200 von der Gateelektrode 92 in lateraler Richtung zu verhindern. Anstatt einer Stufe kann auch ein Vorsprung, eine Nase, eine Nut, eine Rille oder eine ähnliche Vorrichtung vorgesehen sein, die so ausgebildet ist, dass sie mit einer zu ihr komplementären, am Halbleiterkörper 1 angeordneten Vorrichtung oder bevorzugt mit der Gateelektrode zusammenwirkt und so den Kontaktstempel 200 in seiner vorgesehenen Position fixiert.
  • Der Querschnitt des elektrisch leitenden Elementes 201 kann auch quadratisch, rechteckig oder anderweitig, auch unsymmetrisch geformt sein. Wesentlich ist, dass das elektrisch leitende Element 201 ausreichend gut mit der Gateelektrode 92 des Thyristors kontaktierbar ist.
  • In dem elektrisch leitenden Element 201 ist ein damit verbundener Innenkörper 202 angeordnet. Der Innenkörper 202 kann abschnittweise oder vollständig als elektrischer Leiter oder als Isolator ausgebildet sein. Der Innenkörper 202 trägt insbesondere zur mechanischen Stabilität des Kontaktstempels 200 bei, ist jedoch insbesondere dann nicht notwendigerweise erforderlich, wenn das elektrisch leitende Element 201 eine ausreichende Eigenstabilität aufweist. Optional können das elektrisch leitende Element 201 und der Innenkörper 202 einstückig ausgebildet sein. Auf seiner dem Halbleiterkörper 1 zugewandten Seite ist der Innenkörper 202 von der Schutzlackschicht 95 so weit beabstandet, dass diese durch den Innenkörper 202 nicht beschädigt wird.
  • Der Kontaktstempel 200 weist einen Strahlungskanal 210 auf, durch den Strahlung beliebiger Art, bevorzugt Licht einschließlich infrarotem, sichtbarem und ultraviolettem Licht, hindurchtreten kann. In dem Strahlungskanal 210 ist ein strahlungsdurchlässiges optisches Element 203, das beispielsweise aus Kunststoff besteht, angeordnet, das so ausgebildet ist, dass von oben einfallende Strahlung auf die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur 20 trifft. Der Durchmesser des Strahlungskanals 210 ist dabei an den Durchmesser der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur 20 angepasst.
  • Abhängig vom jeweiligen Verwendungszweck kann der Kontaktstempel 200 auf unterschiedlichste Weise gestaltet sein, wie nachfolgend anhand der 3 bis 7 erläutert ist, in denen verschiedene Kontaktstempel in Seitenansicht im Querschnitt dargestellt sind.
  • 2 zeigt einen Kontaktstempel, der im wesentlichen dem Kontaktstempel gemäß 2 entspricht, bei dem allerdings auf ein optisches Element in dem Strahlungskanal verzichtet ist. Der Kontaktstempel ist rotationssymmetrisch und weist ein elektrisch leitendes Element 201 mit einer an dessen Kontaktseite angeordneten Kontaktfläche 201a auf, die zur Kontaktierung der Gateelektrode eines erfindungsgemäßen Thyristors vorgesehen ist. Das elektrisch leitende Element 201 ist hülsenförmig mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, dessen bevorzugte Dicke dm zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt.
  • Der Querschnitt des elektrisch leitenden Elementes 201 kann auch quadratisch, rechteckig oder anderweitig, auch unsymmetrisch geformt sein. Wesentlich ist, dass das elektrisch leitende Element 201 ausreichend gut mit der Gateelektrode 92 eines Thyristors kontaktierbar ist.
  • In dem elektrisch leitenden Element 201 ist ein damit verbundener Innenkörper 202 angeordnet. Der Innenkörper 202 kann abschnittweise oder vollständig als elektrischer Leiter oder als Isolator ausgebildet sein. Der Innenkörper 202 trägt insbesondere zur mechanischen Stabilität des Kontaktstempels 200 bei, ist jedoch insbesondere dann nicht notwendigerweise er forderlich, wenn das elektrisch leitende Element 201 eine ausreichende Eigenstabilität aufweist. Optional können das elektrisch leitende Element 201 und der Innenkörper 202 einstückig ausgebildet sein.
  • Der in 4 dargestellte Kontaktstempel entspricht dem in 2 dargestellten, wobei allerdings auf einen Absatz an der Kontaktseite des elektrisch leitenden Elements 201 verzichtet ist.
  • Bezugnehmend auf 5 kann der Innenkörper 202 als strahlungsdurchlässiges optisches Element 203 ausgebildet sein.
  • Falls es in bestimmten Anwendungen nicht gewünscht oder erforderlich sein sollte, einen erfindungsgemäßen Thyristor durch Strahlung zu zünden, kann auch ein Kontaktstempel 200 eingesetzt werden, dessen Strahlungskanal mit einem einfallende Strahlung abhaltenden Element versehen ist oder der überhaupt keinen Strahlungskanal aufweist.
  • In 6 ist ein solcher Kontaktstempel 200 im Querschnitt dargestellt. Der Innenkörper 202 weist keinen Strahlungskanal auf und besteht aus einem Material, das undurchlässig ist für Strahlung, die geeignet wäre, den Thyristor zu zünden.
  • Des weiteren ist bezugnehmend auf 7 optional vorgesehen, den Kontaktstempel 200 auf seiner Kontaktseite im Bereich des Innenelementes 202 mit einer Isolierung 205 zu versehen. Die Isolierung 205 kann für Strahlung sowohl durchlässig als auch undurchlässig kein. Als Materialien hierfür sind beispielsweise Kunststoff oder Quarzglas geeignet. Mit einer für Strahlung durchlässigen Isolierung kann in Verbindung mit einem Strahlungskanal auch eine hohe Isolationsfestigkeit im Kontaktierungsbereich des Kontaktstempels erreicht werden.
    • 1
    Halbleiterkörper
    5
    n-dotierter Emitter
    6
    p-dotierte Basis
    7
    n-dotierte Basis
    8
    p-dotierter Emitter
    9
    Hauptelektrode
    11
    Vorderseite des Halbleiterkörpers
    20
    Strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur
    51
    Hilfsemitter
    55
    pn-Übergang
    61
    Erster Bereich der p-Basis
    62
    Zweiter Bereich der p-Basis
    63
    Abschnitt der p-Basis
    64
    Abschnitt der p-Basis
    91
    Mit Hilfeemitter kontaktierte Elektrode
    92
    Gateelektrode
    95
    Schutzlack
    100
    Maske
    102
    Maskenöffnung
    105
    Steuerelektrode
    200
    Kontaktstempel
    201
    Elektrisch leitendes Element
    201a
    Kontaktfläche
    201b
    Stufe
    202
    Innenkörper
    203
    Strahlungsdurchlässiges optisches Element
    205
    Isolierung
    210
    Strahlungskanal

Claims (30)

  1. Thyristor mit einer Halbleiterstruktur, die folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (1), in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Emitter (5) angeordnet sind, – eine strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur (20) und eine in lateraler Richtung dazu beabstandete Gateelektrode (92), und – eine Zündstufenstruktur, die wenigstens eine Zündstufe (51, 91) mit einem n-dotierten Hilfsemitter (51) aufweist, der mit der p-dotierten Basis (6) einen pn-Übergang (55) ausbildet.
  2. Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur (20) als Durchbruchdiode ausgebildet ist.
  3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2 mit wenigstens einer Elektrode (91), die an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist und die den n-dotierten Hilfsemitter (51) der wenigstens einen Zündstufe und die p-dotierte Basis (6) kontaktiert.
  4. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zündstufenstruktur in lateraler Richtung zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur (20) und dem n-dotierten Emitter (5) angeordnet ist.
  5. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Zündstufe (51, 91) in lateraler Richtung zwischen der strahlungsempfindlichen Durchbruchstruktur (20) und der Gateelektrode (92) angeordnet ist.
  6. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Zündstufe in lateraler Richtung zwischen der Gateelektrode (92) und dem n-dotierten Emitter (5) angeordnet ist.
  7. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Zentralbereich, in dem die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur (20) und/oder die Gateelektrode (92) angeordnet ist.
  8. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der spezifische Widerstand der p-dotierten Basis (6) in einem Abschnitt (64) erhöht ist.
  9. Thyristor nach Anspruch 8, bei dem die Gateelektrode (92) in lateraler Richtung zwischen dem Abschnitt (64) mit erhöhtem spezifischen Widerstand und dem n-dotierten Emitter (5) angeordnet ist.
  10. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) einschließlich gegebenenfalls daran angeordneter Elektroden (91) zumindest abschnittsweise mit einem Schutzlack beschichtet ist.
  11. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektrode (92) ringförmig ausgebildet ist.
  12. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kontaktstempel (200), der ein elektrisch leitendes Element (201) aufweist, das mit der Gateelektrode (92) kontak tiert ist.
  13. Thyristor nach Anspruch 12, bei dem das elektrisch leitfähige Element (201) eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist.
  14. Thyristor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem das elektrisch leitfähigen Element (201) zumindest abschnittsweise aus Metall gebildet ist.
  15. Thyristor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Kontaktstempel (200) einen Innenkörper (202) aufweist, der von dem elektrisch leitfähigen Element (201) zumindest abschnittweise umfasst wird.
  16. Thyristor nach Anspruch 15, bei dem der Innenkörper (202) zumindest abschnittsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet ist.
  17. Thyristor nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Innenkörper (202) auf der dem Halbleiterkörper (1) zugewandten Seite als Isolator ausgebildet ist.
  18. Thyristor nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der Kontaktstempel (200) einen Strahlungskanal (210) aufweist.
  19. Thyristor nach Anspruch 18, bei dem der Strahlungskanal (210) zumindest abschnittweise im Innenkörper (202) angeordnet ist.
  20. Thyristor nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem das elektrisch leitfähige Element (201) im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
  21. Thyristor nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem das elektrisch leitfähige Element (201) eine Vorrichtung aufweist, die den mit einem Halbleiterkörper (1) kontaktierten Kontaktstempel (200) in lateraler Richtung gegenüber dem Halbleiterkörper (1) fixiert.
  22. Thyristor nach Anspruch 21, bei dem die Vorrichtung als Vorsprung, Nase, Stufe, Nut oder Rille ausgebildet ist.
  23. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zumindest eine der folgenden Schutzfunktionen aufweist: Überspannungsschutz, dU/dt-Schutz und Freiwerdezeitschutz.
  24. Verfahren zur Kontaktierung eines eine strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur (20) und einer in lateraler Richtung dazu beabstandeten Gateelektrode (92) aufweisenden Thyristors, das folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen eines Kontaktstempels (200), der ein elektrisch leitendes Element (201) aufweist, dessen Geometrie an die Geometrie der Gateelektrode angepasst ist, – Anpressen des Kontaktstempels (200) an den Thyristor derart, dass das elektrisch leitende Element die Gateelektrode kontaktiert.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Kontaktstempel (200) einen Innenkörper (202) aufweist, der von dem elektrisch leitfähigen Element (201) zumindest abschnittweise umfasst wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Innenkörper (202) zumindest abschnittsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem der Innenkörper (202) auf der dem Halbleiterkörper (1) zugewandten Seite als Isolator ausgebildet ist.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem der Kontaktstempel (200) einen Strahlungskanal (210) aufweist.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Strahlungskanal (210) zumindest abschnittweise im Innenkörper (202) angeordnet ist.
  30. Verfahren zur Überwachung des Zündvorgangs eines Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 22 mit den Schritten: – Zünden des Thyristors durch eine auf die strahlungsempfindliche Durchbruchstruktur (20) einfallende Strahlung, und – Überwachen der an der Gateelektrode (92) bzw. der elektrisch leitfähigen Elektrode (105, 201) anliegenden elektrischen Spannung.
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