DE102004042163B4

DE102004042163B4 - Asymmetrischer Thyristor mit integriertem Freiwerdeschutz

Info

Publication number: DE102004042163B4
Application number: DE102004042163A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Reiner Dr. Barthelmess
Original assignee: Infineon Technologies AG; EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: DE102004042163A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen asymmetrischen Thyristor, der zur Reihenschaltung mit einer Diode vorgesehen ist und der zwischen der n-Basis (7) und einer Anode (13) ausgebildete, n-dotierte Kurzschlusszonen (71, 72) aufweist, sowie einen eine Zündstruktur (10, 92) umfassenden Innenbereich (2) und einen sich in lateraler Richtung daran anschließenden Außenbereich (3). DOLLAR A Dabei ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung in einer lateral durch die n-dotierten Kurzschlusszonen (71, 72) verlaufenden Schnittebene (B1-B1') das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (Fli) der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) und der Querschnittsfläche (F1) des Innenbereichs (2) größer ist als das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (F2i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3) zur Querschnittsfläche (F2) des Außenbereichs (3). DOLLAR A Des Weiteren ist gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung die Ladungsträgerlebensdauer der Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) größer ist als die Ladungsträgerlebensdauer der Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen asymmetrischen Thyristor, der vorzugsweise mit Anodenkurzschlüssen versehen ist. Solche Thyristoren werden bei bestimmten Anwendungen mit einer Diode in Reihe geschaltet. Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, dass der Thyristor bei Sperrbelastung in Rückwärtsrichtung keine Raumladungszone aufweist, so dass ein raumladungsbedingtes Ausräumen freier Ladungsträger, insbesondere der freien Ladungsträger, mit denen die Treiberstufe überschwemmt ist, entfällt, und somit diese freien Ladungsträger länger erhalten bleiben.
Thyristoren weisen in hinlänglich bekannter Weise einen Halbleiterkörper auf, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Der p-dotierte Emitter, die n-dotierte Basis, die p-dotierte Basis und der n-dotierte Hauptemitter werden im Folgenden auch als p-Emitter, n-Basis, p-Basis bzw. n-Emitter bezeichnet.
Während des Abschaltens derartiger Thyristoren befindet sich im Halbleiterkörper noch eine relativ hohe Anzahl freier Ladungsträger, die erst innerhalb einer sogenannten Freiwerdezeit so weit abgebaut wird, dass der Thyristor zuverlässig sperrt. Unterliegt der Thyristor jedoch innerhalb der Freiwerdezeit einer impulsartigen Spannungsbelastung, so kann es infolge der noch zu hohen Anzahl freier Ladungsträger zu einem unkontrollierten Zünden insbesondere im Bereich unterhalb der Kathode, d.h. der den n-dotierten Emitter kontaktierenden Elektrode des Thyristors, kommen, wodurch sich Stromfilamente mit derart hohen Stromdichten bilden können, dass der Thyristor zerstört werden kann.
Daher wird in der Regel versucht, Thyristoren derart zu konstruieren, dass sie gegenüber Spannungsstößen, die innerhalb der Freiwerdezeit in Vorwärtsrichtung auftreten, unempfindlich sind.

Ein Thyristor der eingangs genannten Art ist aus der DE 199 47 028 A1 bekannt. Der in dieser Veröffentlichung beschriebene Thyristor weist des Weiteren eine Treiberstufe mit wenigstens einem n-dotierten Hilfsemitter (n-Hilfsemitter) auf, der eine Metallisierung kontaktiert. Dabei sind zur Lösung des geschilderten Problems drei Varianten vorgesehen.

Bei einer ersten Variante ist der Transistorverstärkungsfaktor α'_npn eines aus dem n-Hilfsemitter, der p-Basis und der n-Basis gebildeten Transistors unterhalb der Metallisierung wenigstens einer Treiberstufe größer als der Transistorverstärkungsfaktor α_npn eines unterhalb der Kathode des Thyristors aus dem n-Emitter, der p-Basis und der n-Basis gebildeten Transistors.

Bei einer zweiten Variante ist der Transistorverstärkungsfaktor α'_pnp eines aus der p-Basis, der n-Basis und dem p-Emitter gebildeten Transistors unterhalb der Metallisierung der wenigstens einer Treiberstufe größer als der Transistorverstärkungsfaktor α_pnp eines unterhalb der Kathode des Thyristors aus der p-Basis, der n-Basis und dem p-Emitter gebildeten Transistors.

Eine dritte Variante sieht Anodenkurzschlüsse vor, die die n-Basis und die Anode miteinander verbinden und deren elektrische Leitfähigkeit unterhalb der Metallisierung wenigstens einer Treiberstufe kleiner ist als unterhalb der Kathode.

Alle drei Varianten können sowohl einzeln als auch geeignet miteinander kombiniert in einem Thyristor eingesetzt werden.

Aus der EP 0 391 337 A2 ist ein GTO-Thyristor mit n-dotierten Anodenkurzschlüssen bekannt, von denen einer im Bereich der zentralen Gateelektrode einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während alle anderen, weiter in Richtung Rand des Thyristors angeordneten Anodenkurzschlüsse einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen. Der Stand der Technik nach der EP 0 391 337 A2 bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die JP 02 267 968 A (Patent Abstracts of Japan) beschreibt einen Thyristor mit inselartigen, p-dotierten Emitterschichten, die von einer n-dotierten Schicht umgeben sind.

In der DE 199 47 028 A1 wird ein Thyristor mit einer eine Metallisierung aufweisenden Treiberstufe vorgestellt, der eine Anzahl von Anodenkurzschlüssen aufweist, deren Abstand unterhalb der Metallisierung der Treiberstufe größer ist als unterhalb der Kathode des Thyristors. Der Stand der Technik nach der DE 199 47 028 A1 bildet dabei den Oberbegriff des Anspruchs 4.

Die DE 39 13 123 A1 zeigt ein Verfahren zur Reduktion der Ladungsträger-Lebensdauer in einem vorgegebenen Abschnitt eines Halbleiterbauelements. Dazu werden in das Halbleiterbauelement hochenergetische Elektronen eingestrahlt, um Rekombinationszentren zu erzeugen.

Die EP 0 043 099 A2 zeigt einen lichtzündbaren Thyristor, dessen Kathode eine Lichteintrittsöffnung aufweist, von der ausgehend sich eine erste Halbleiterzone bis zur Anode erstreckt. An die erste Halbleiterzone schließt sich eine zweite Halbleiterzone an, in der die Ladungsträgerlebensdauer gegenüber der Ladungsträgerlebensdauer der ersten Halbleiterzone reduziert ist. Zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer wird Gold in die zweite Halbleiterzone eindiffundiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Thyristor mit einer verbesserten Spannungsstoss-Belastbarkeit innerhalb der Freiwerdezeit bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor gemäß den Ansprüchen 1 und 4 gelöst. Die Erfindung betrifft gemäß dem Anspruch 21 ausserdem eine Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Thyristor. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßer Thyristor weist einen Halbleiterkörper auf, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Dabei kontaktiert eine erste Elektrode, die zugleich die Anode des Thyristors darstellt, den p-dotierten Emitter.

Der Halbleiterkörper des erfindungsgemäßen Thyristors weist einen Innenbereich auf, der eine Zündstruktur umfasst, die beispielsweise aus einer Durchbruchsdiode, einem lichtempfindlichen Bereich zur Zündung des Thyristors mittels Licht, oder aus einer Gate-Elektrode bestehen kann. An den Innenbereich schließt sich in lateraler Richtung ein Außenbereich an.

Des Weiteren umfasst der Thyristor wenigstens zwei n-dotierte Kurzschlusszonen, die jeweils sowohl die erste Elektrode als auch die n-dotierte Basis kontaktieren, wobei wenigstens eine Kurzschlusszone im Innenbereich und wenigstens eine weitere Kurzschlusszone im Außenbereich angeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann der Rückstrom einer dem Bauelement gegebenenfalls in Reihe geschalteten Diode dazu genutzt werden, die Dichte der freien Ladungsträger im Innenbereich des Thyristors während der Freiwerdezeit zu erhöhen. Kommt es nämlich innerhalb Freiwerdezeit des Thyristors zu einem Spannungsstoß in Vorwärtsrichtung, so erfolgt eine Zündung zuerst im Innenbereich, sofern dieser eine ausreichende Dichte der freien Ladungsträger aufweist.

Die zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Freiwerdezeit in einem solchen Thyristor vorliegenden freien Ladungsträger resultieren zum Einen aus bis zu dem betrachteten Zeitpunkt noch nicht rekombinierten Ladungsträgern des den Thyristor vor dessen Abschalten durchfließenden Laststroms, und zum Anderen aus Ladungsträgern aus dem Rückstrom der Diode in den Thyristor.

Ein Thyristor ist gewöhnlich derart konstruiert, dass seine Zündung zumindest dann kontrolliert erfolgt, wenn der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs im Bereich des die Zündstruktur aufweisenden Innenbereichs, insbesondere im Bereich der Zündstruktur selbst, liegt. Ein unkontrolliertes Zünden des Thyristors während dessen Freiwerdezeit kann daher durch eine geeignete Verteilung der freien Ladungsträger innerhalb des Thyristors vermieden werden, wenn die Verteilung der freien Ladungsträger so gewählt ist, dass der erste Spannungsdurchbruch bei einem Spannungsstoß in Vorwärtsrichtung des Thyristors für beliebige Zeitpunkte während der Freiwerdezeit im Innenbereich des Thyristors erfolgt.

Die Verteilung des in den Thyristor fließenden Rückstroms der Diode und damit der durch diesen Rückstrom im Thyristor bereitgestellten freien Ladungsträger lässt sich insbesondere mittels sogenannter Anodenkurzschlüsse einstellen. Anodenkurzschlüsse sind n-dotierte Zonen, die sowohl die n-Basis als auch die Anode des Thyristors kontaktieren. Dabei ist der Anteil des Rückstromes, der in den Innenbereich fließt, umso größer, je geringer der Gesamtwiderstand der im Innenbereich angeordneten Anodenkurzschlüsse ist und je größer der Gesamtwiderstand der im Außenbereich angeordneten Anodenkurzschlüsse ist.

Bevorzugt weisen Anodenkurzschlüsse – weil aus fertigungstechnischen Gründen günstiger – unabhängig von ihrer lateralen Position dieselbe Dotierstoffkonzentration und dieselbe Dicke in vertikaler Richtung auf, so dass ihr Gesamtwiderstand im Wesentlichen nur von ihrer Querschnittsfläche und von ihrem Abstand abhängt.

Daher ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer lateral durch die Kurzschlusszonen verlaufenden Schnittebene das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen der Kurzschlusszonen im Innenbereich und der Querschnittsfläche des Innenbereichs größer ist als das Verhältnis zwischen der Querschnittsflächen der Kurzschlusszonen im Außenbereich zur Querschnittsfläche des Außenbereichs.

Der erfindungsgemäße Thyristor wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors mit Anodenkurzschlüssen, deren mittlerer Abstand in einem Innenbereich des Thyristors kleiner ist als in einem Außenbereich des Thyristors, im Querschnitt,
1b einen Horizontalschnitt durch den Thyristor gemäß 1a,
2a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem die Anodenkurzschlüsse in einem Innenbereich eine größere Querschnittsfläche aufweisen als die Anodenkurzschlüsse im Außenbereich, im Querschnitt,
2b einen Horizontalschnitt durch den Thyristor gemäß 2a,
3a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors gemäß 2a, bei dem die Querschnittsfläche eines Anodenkurzschlusses des Innenbereiches um so größer ist, je weiter der betreffende Anodenkurzschluss vom Außenbereich beabstandet ist, und
3b einen Horizontalschnitt durch den Thyristor gemäß 3a
1a zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors. Der Thyristor ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer vertikal verlaufenden Achse A-A'. Der Thyristor weist einen Halbleiterkörper 1 auf, auf dem Elektroden 9, 91 und 13 angeordnet sind. Die Elektrode 9 bildet die Kathode und die Elektrode 13 die Anode des Thyristors. Die Anode 13 und die Kathode 9 sind in vertikaler Richtung voneinander beabstandet und auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers 1 angeordnet. Im Halbleiterkörper 1 sind in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-Emitter 8, eine n-Basis 7, eine p-Basis 6 und ein n-Emitter 5 angeordnet.
Der Thyristor weist des Weiteren einen Innenbereich 2 und einen sich in lateraler Richtung daran anschließenden Außenbereich 3 auf.
Der p-Emitter 8 umfasst im Innenbereich 2 angeordnete Abschnitte 81 und im Außenbereich 3 angeordnete Abschnitte 82 und kontaktiert die Anode 13, während der n-Emitter 5 die Kathode 9 kontaktiert.
Die p-Basis 6 umfasst Abschnitte 61, 62, 63, 64, 65, die unterschiedlich geformt bzw. unterschiedlich dotiert sein können. Zwischen der p-Basis 6 und der n-Basis 7 ist ein pn-Übergang ausgebildet. Zwischen Abschnitten 61, 62 und der p-Basis 6 erstreckt sich die n-Basis 7 in einem Abschnitt 73 weiter in Richtung der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 als in deren übrigen Abschnitten. Der Abschnitt 61 der p-Basis 6 ist beispielsweise zum Einen gekrümmt ausgebildet und zum Anderen stärker p-dotiert als der Abschnitt 62 der p- Basis 6. Die Abschnitte 61, 62 der p-Basis 6 sowie 73 der n-Basis 7 bilden eine sogenannte Durchbruchstruktur 10. Die Geometrie sowie die Dotierung der Abschnitte 61, 62, 73 bedingt eine Krümmung der elektrischen Feldlinien in diesen Abschnitten und ist derart gewählt, dass der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs bei in Vorwärtsrichtung am Thyristor anliegender Spannung im Bereich der Durchbruchstruktur 10 liegt. Die Zündung erfolgt also bei in Vorwärtsrichtung anliegender und ansteigender Spannung, sobald eine durch die Durchbruchstruktur 10 festgelegte Durchbruchspannung erreicht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Thyristor zu zünden, besteht darin, Licht 110, bevorzugt Infrarotlicht, in einen lichtempfindlichen Bereich des Thyristors einzustrahlen, so dass durch den Photoeffekt Ladungsträger freigesetzt werden und der Thyristor zuerst in dem lichtempfindlichen Bereich zündet.
Eine weitere Möglichkeit, den Thyristor zu zünden, besteht darin, einen elektrischen Zündimpuls auf eine an der Vorderseite 11 des Thyristors angeordnete Gate-Elektrode 92 zu geben.
Die Zündstruktur kann damit eine Durchbruchstruktur 10 und/oder einen lichtempfindlichen Bereich und/oder eine Gate-Elektrode 92 umfassen.
Zwischen dem n-Emitter 5 und der Durchbruchstruktur 10 sind jeweils voneinander beabstandet mehrere Treiberstufen angeordnet, von denen jede eine in die p-Basis 6 eingebettete, stark n-dotierte Zone 51 umfasst, die sich bevorzugt bis zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Die stark n-dotierten Zonen 51 werden im Folgenden als Hilfsemitter bezeichnet. Neben einem Hilfsemitter 51 umfasst jede der Treiberstufen eine Elektrode 91, die bevorzugt auf der dem n-Emitter 5 zugewandten Seite des betreffenden Hilfsemitters 51 sowohl den Hilfsemitter 51 als auch die p-Basis 6 kontaktiert.
Die Treiberstufen sind optional, ihre Anzahl ist prinzipiell beliebig. 1a zeigt beispielhaft vier solche Treiberstufen. Solche Treiberstufen sind dazu vorgesehen, einen am Ort der ersten Zündung fließenden Zündstrom zu verstärken. Der verstärkte Zündstrom fließt dann weiter in Richtung des n-Emitters 5 und wird dabei gegebenenfalls von jeder weiteren Treiberstufen jeweils verstärkt, bis der Zündstrom schließlich den n-Emitter 5 erreicht und den Thyristor vollständig zündet.
Des Weiteren weist die p-Basis 6 eine Widerstandszone 64 auf, in der der mittlere radiale bzw. laterale elektrische Widerstand der p-Basis 6 durch geeignete Maßnahmen vergrößert ist. Diese Widerstandszone 64 zeichnet sich dadurch aus, dass ihr mittlerer lateraler elektrischer Widerstand, d.h. ihr mittlerer elektrischer Widerstand in lateraler Richtung, gegenüber dem mittleren lateralen elektrischen Widerstand der an die Widerstandszone 64 angrenzenden Abschnitte 63 der p-dotierten Basis 6 vergrößert ist.
Die Herstellung einer derartigen Widerstandszone 64 kann beispielsweise mittels einer ätztechnischen Verringerung der Dicke der p-Basis 6 in vertikaler Richtung innerhalb des Abschnitts 64 der p-Basis 6 erfolgen.
Die Widerstandszone 64 dient dazu, den in lateraler Richtung r in der p-Basis 6 fließenden Zündstrom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Die Widerstandszone 64 kann in lateraler Richtung r an einer beliebigen Stelle in der p-Basis 6 zwischen der Durchbruchstruktur 10 und dem n-Emitter 5 angeordnet sein. Sofern der Thyristor eine oder mehrere Treiberstufen aufweist, kann die Widerstandszone 64 in lateraler Richtung r auch zwischen der Durchbruchstruktur 10 und der zu dieser nächstgelegenen Treiberstufe angeordnet sein. Entspre chend kann die Widerstandszone 64 auch in lateraler Richtung r zwischen dem n-Emitter 5 und der diesem nächstgelegenen Treiberstufe angeordnet sein. Weist der Thyristor zwei oder mehrere Treiberstufen auf, so kann sich die Widerstandszone 64 auch zwischen zwei beliebigen, bevorzugt benachbarten Treiberstufen befinden.
Der n-Emitter 5 stellt bevorzugt einen zusammenhängenden Bereich dar (in 1a nicht dargestellt). An einzelnen Stellen ist der n-Emitter 5 von Kathodenkurzschlüssen 65, die die p-Basis 6 mit der Kathode 9 elektrisch verbinden, unterbrochen. Die Kathodenkurzschlüsse 65 können auch als säulenartige Fortsätze der p-Basis 6 beschrieben werden, die sich bis zur Kathode 9 erstrecken und diese kontaktieren. Die Querschnittsform dieser Kathodenkurzschlüsse 65 ist prinzipiell beliebig, bevorzugt jedoch rund oder sechseckig ausgebildet.
In vertikaler Richtung ist zwischen der p-Basis 6 und dem p-Emitter 8 die n-Basis 7 angeordnet. Die n-Basis 7 teilt sich bevorzugt auf in einen schwächer n-dotierten Abschnitt 7a, der der p-Basis 6 zugewandt ist, und einen stärker n-dotierten Abschnitt 7b, der dem p-Emitter 8 zugewandt ist. Der stärker n-dotierten Abschnitt 7b ist zwischen dem schwächer n-dotierten Abschnitt 7a und dem p-Emitter 8 angeordnet und wird auch als Stoppzone 7b bezeichnet. Durch die Stoppzone 7b wird der Thyristor zu einem asymmetrischen Thyristor, was bedeutet, dass der Thyristor nur in Vorwärtsrichtung über ein größeres Spannungsintervall sperrfähig ist.
Des Weiteren steht – wie bereits beschrieben – die n-Basis 7 mit der Anode 13 in Kontakt. Der Thyristor weist auch anodenseitig sogenannte Anodenkurzschlüsse 71, 72 auf, die an einzelnen Stellen bis an die Anode 13 heranreichen und sowohl diese als auch die n-Basis 7, bevorzugt deren Stoppzone 7b, kontaktieren. Die Anodenkurzschlüsse 71, 72 sind entsprechend den Kathodenkurzschlüssen 65 säulenartig ausgebildet und weisen eine beliebige, bevorzugt jedoch runde oder sechseckige Querschnittsform auf. Die im Innenbereich 2 angeordneten Anodenkurzschlüsse sind mit dem Bezugszeichen 71 bezeichnet, während die im Außenbereich 3 angeordneten Anodenkurzschlüsse mit dem Bezugszeichen 72 versehen sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen alle n-dotierten Kurzschlusszonen 71, 72 im Zentrum der jeweiligen Kurzschlusszone 71, 72 in vertikaler Richtung ein im Wesentlichen ähnliches Dotierungsprofil auf.
Der erfindungsgemäße Thyristor ist für eine Reihenschaltung mit einer Diode vorgesehen. 1a zeigt eine solche Reihenschaltung mit einer Diode 100. Bei einer derartigen Reihenschaltung wird bevorzugt die Kathode der Diode 100 elektrisch leitend mit der Anode 13 des Thyristors verbunden.
Befindet sich die Reihenschaltung aus Thyristor und Diode 100 nach dem Zünden des Thyristors in leitendem Zustand und wird der Thyristor dann abgeschaltet, so kommt es zu einem Rückstrom aus der Diode 100 in den Thyristor. Die räumliche Verteilung dieses Rückstroms des Thyristors wird wesentlich durch die Eigenschaften und die Verteilung der Anodenkurzschlüsse 71, 72 mitbestimmt.
Um einen signifikanten Anteil dieses Rückstroms aus der Diode 100 in den Innenbereich 2 des Thyristors zu leiten, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer lateral durch die Kurzschlusszonen 71, 72 verlaufenden Schnittebene B1-B1' das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen der Kurzschlusszonen 71 im Innenbereich 2 und der Querschnittsfläche des Innenbereichs 2 größer ist als das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen der Kurzschlusszonen 72 im Außenbereich 3 zur Querschnittsfläche des Außenbereichs 3.
Mit einer derartigen Anordnung kann, insbesondere wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform alle Anodenkurzschlüsse 71, 72 des Thyristors die gleiche Dotierstoffkonzentration auf weisen, im Innenbereich 2 des Thyristors eine höhere maximale Stromdichte des Rückstroms aus der Diode in den Thyristor eingestellt werden als in dessen Außenbereich 3. Im Folgenden wird das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen der Kurzschlusszonen in einem bestimmten Bereich und der Querschnittsfläche dieses Bereichs als Anodenkurzschluss-Flächenverhältnis dieses Bereichs bezeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Anodenkurzschluss-Flächenverhältnis des Innenbereichs 2 und dem Anodenkurzschluss-Flächenverhältnis des Außenbereichs 3 größer oder gleich 2.
Die Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 und die Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 weisen bevorzugt dieselbe Querschnittsfläche und besonders bevorzugt dieselbe Form auf. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1a sind die Anodenkurzschlüsse 71, 72 zylindrisch ausgebildet, wobei die Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 den Durchmesser d1 und die Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 den Durchmesser d2 aufweisen, wobei hier die Durchmesser d1 und d2 gleich gewählt sind.
Um dennoch zu erreichen, dass das Anodenkurzschluss-Flächenverhältnis des Innenbereichs 2 größer ist als des Außenbereichs 3, sind die Abstände a1 zwischen den Anodenkurzschlüssen 71 des Innenbereichs 2 kleiner gewählt als die Abstände a2 zwischen den Anodenkurzschlüssen 72 des Außenbereichs 3. Die Abstände a1, a2 können sowohl die Abstände zwischen den Anodenkurzschlüssen 71, 72 in radialer Richtung als auch die mittleren Abstände zwischen den Anodenkurzschlüssen 71, 72 des Innen- bzw. Außenbereichs 2 bzw. 3 angeben. Dabei können die Anodenkurzschlüsse 71, 72 sowohl in radialer Richtung als auch in azimutaler Richtung voneinander versetzt angeordnet sein.
1b zeigt einen Querschnitt durch die in 1a dargestellte Ebene B1-B1'. In dieser Ansicht ist der im Wesentlichen rotationssymmetrische Aufbau des Thyristors gut zu erkennen. Jeder der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 weist eine Querschnittsfläche F1i auf. Entsprechend weist jeder Anodenkurzschluss 72 des Außenbereichs 3 eine Querschnittsfläche F2i auf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Flächen F1i und F2i gleich groß gewählt. Dies wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Durchmesser d1 der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 und die Durchmesser d2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 gleich groß gewählt sind.
In dieser Ansicht ist gut zu erkennen, dass die Abstände a1 zwischen den Anodenkurzschlüssen 71 des Innenbereichs 2 in radialer Richtung kleiner gewählt sind als die Abstände a2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3. Der in 1a dargestellte Vertikalschnitt durch den Thyristor entspricht einem Vertikalschnitt durch die in 1b dargestellte Ebene C1-C1', wobei in 1a nur ein Abschnitt ausgehend vom Zentrum der Anordnung gezeigt ist.
2a zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors. Dessen Aufbau entspricht im Wesentlichen dem bereits im 1a dargestellten Thyristor. Anders als dort sind jedoch die Querschnittsflächen der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 größer gewählt als die Querschnittsflächen der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3.
Dabei sind die Abstände a1 der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 und die Abstände a2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 jeweils in radialer Richtung und/oder in azimutaler Richtung bevorzugt gleich groß gewählt. Die Abstände a1, a2 können sowohl die Abstände der Anodenkurz schlüsse 71 bzw. 72 in radialer Richtung als auch deren mittlere Abstände innerhalb des Innenbereichs 2 bzw. des Außenbereichs 3 bezeichnen.
Ein Horizontalschnitt durch die in 2a dargestellte Ebene B2-B2' ist in 2b gezeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die Querschnittsflächen F1i der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 größer sind als die Querschnittsflächen F2i der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anodenkurzschlüsse 71, 72 säulenartig ausgebildet und weisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine kreisförmige Querschnittsform auf. Daher sind, um größere Querschnittsflächen zu erreichen, die Durchmesser d1 der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 größer, bevorzugt wenigstens 1,4 mal so groß gewählt wie die Durchmesser d2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3.
Der in 2a dargestellte Vertikalschnitt durch den Thyristor entspricht einem Vertikalschnitt durch die in 2b dargestellte Ebene C2-C2', wobei in 2a nur ein Abschnitt ausgehend vom Zentrum der Anordnung gezeigt ist.
3a zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristors. Dessen Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in den 1a und 2a gezeigten Thyristoren.
Anders als bei diesen ist jedoch die Querschnittsfläche eines Anodenkurzschlusses 71 des Innenbereichs 2 umso größer, je größer deren lateraler Abstand zum Außenbereich 3 bzw. je geringer deren lateraler Abstand von der Symmetrieachse A-A' ist. Die Anodenkurzschlüsse 71, 72 sind säulenartig ausgebildet und weisen bevorzugt kreisförmige Querschnittsflächen auf. Die Durchmesser dieser kreisförmigen Querschnittsflächen des Innenbereichs 2 sind mit d11 und d12 bezeichnet, wobei d11 größer gewählt ist als d12. Die Durchmesser d11, d12 der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 sind dabei umso größer, je größer der Abstand der betreffenden Anodenkurzschlüsse 71 vom Außenbereich 3 ist. Die Durchmesser d2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 sind prinzipiell beliebig und bevorzugt kleiner als der kleinste Durchmesser der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen alle Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 den gleichen Durchmesser d2 auf.
Ein Horizontalschnitt durch die in 3a dargestellte Ebene B3-B3' ist in 3b dargestellt. Hier ist gut erkennbar, dass die Querschnittsflächen F1i der Anodenkurzschlüsse 71 des Innenbereichs 2 umso kleiner sind, je geringer deren Abstand zum Außenbereich 3 ist. Dabei können die Abstände a1 zwischen den Anodenkurzschlüssen 71 des Innenbereichs 2 größer, gleich oder bevorzugt kleiner als die Abstände a2 der Anodenkurzschlüsse 72 des Außenbereichs 3 gewählt werden, wobei auch hier, ebenso wie bei den vorangehend erläuterten Thyristoren, die Abstände a1 bzw. a2 zwischen den Anodenkurzschlüssen 71 bzw. 72 des Innenbereichs 2 bzw. des Außenbereichs 3 sowohl Abstände der betreffenden Anodenkurzschlüsse 71 bzw. 72 in radialer Richtung r, in azimutaler Richtung, als auch deren mittleren Abstand bedeuten können.
Bei allen erfindungsgemäßen Thyristoren ist der Innenbereich 2 so gewählt, dass er zumindest eine Zündstruktur, d.h. entweder eine Durchbruchstruktur 10 und/oder einen lichtempfindlichen Bereich und/oder eine Gate-Elektrode 92 umfasst.
Weist die p-Basis 6 des Thyristors, wie in den 1a, 2a und 3a gezeigt, eine Widerstandszone 64 auf, so kann diese Widerstandszone 64 sowohl vollständig im Innenbereich 2 als auch vollständig im Außenbereich 3 angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Grenze zwischen dem Innenbereich 2 und dem Außenbereich 3 auch innerhalb der Widerstandszone 64 verläuft.
Der Außenbereich 3 des Thyristors erstreckt sich bevorzugt im Wesentlichen bis zum lateralen Rand des Thyristors. Besonders bevorzugt sind die lateralen Abmessungen des Außenbereichs 3 im Wesentlichen identisch mit den lateralen Abmessungen der Kathode 9.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei allen erfindungsgemäßen Thyristoren die Ladungsträgerlebensdauer bei den Anodenkurzschlüssen im Innenbereich 2 größer gewählt werden als bei den Anodenkurzschlüssen im Außenbereich 3. Dabei lässt sich die Lebensdauer über eine maskierte Bestrahlung, beispielsweise mit Elektronen, im Außenbereich gegenüber dem Innenbereich gezielt absenken. Ebenso lässt sich eine Lebensdauerabsenkung mittels einer Eindiffusion von Schwermetallen erreichen. Dabei ergibt sich die gewünschte laterale Variation der Ladungsträgerlebensdauer automatisch über die Getterung durch die im Allgemeinen phosphordotierte Stoppzone 7b.

1: Halbleiterkörper
10: Durchbruchstruktur
11: Vorderseite des Halbleiterkörpers
13: Anode des Thyristors
2: Innenbereich
3: Außenbereich
5: n-Emitter
51: n-Hilfsemitter
6: p-Basis
61: Abschnitt der p-Basis
62: Abschnitt der p-Basis
63: Abschnitt der p-Basis
64: Widerstandszone
65: Kathodenkurzschluss
7: n-Basis
7a: Abschnitt n-Basis
7b: Stoppzone
71: Anodenkurzschluss im Innenbereich
72: Anodenkurzschluss im Außenbereich
73: Abschnitt der n-Basis
8: p-Emitter
81: p-Emitter im Innenbereich
82: p-Emitter im Außenbereich
9: Kathode des Thyristors
91: Elektrode n-Hilfsemitter
92: Gate-Elektrode
100: Diode
110: Licht
a1: Abstand zwischen Anodenkurzschlüssen im Innen
: bereich
a2: Abstand zwischen Anodenkurzschlüssen im Außen
: bereich
d1, d11, d12: Durchmesser Anodenkurzschluss im Innenbereich
d2: Durchmesser Anodenkurzschluss im Außenbereich
F1: Querschnittsfläche des Innenbereichs
F1i: Querschnittsfläche eines Anodenkurzschlusses
: im Innenbereich
F2: Querschnittsfläche des Außenbereichs
F2i: Querschnittsfläche eines Anodenkurzschlusses
: im Außenbereich
R: Widerstand der Widerstandszone 64
r: radiale Richtung
A-A': vertikal verlaufende Rotationsachse
B1-B1', B2-B2', B3-B3': laterale Schnittebene
C1-C1', C2-C2', C3-C3': vertikale Schnittebene

Claims

Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiterkörper (1), in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, eine den p-dotierten Emitter (8) kontaktierende erste Elektrode (13), einen Innenbereich (2) des Halbleiterkörpers (1), in dem eine Zündstruktur (10, 92) angeordnet ist, einen sich in lateraler Richtung an den Innenbereich (2) anschließenden Außenbereich (3), und eine Anzahl n-dotierter Kurzschlusszonen (71, 72), die jeweils sowohl die erste Elektrode (13) als auch die n-dotierte Basis (7) kontaktieren und von denen wenigstens eine (72) im Außenbereich (3) angeordnet ist, wobei in einer lateral durch die n-dotierten Kurzschlusszonen (71, 72) verlaufenden Schnittebene (B1-B1', B2-B2', B3-B3') das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (F1i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) und der Querschnittsfläche (F1) des Innenbereichs (2) größer ist als das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (F2i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3) zur Querschnittsfläche (F2) des Außenbereichs (3), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) angeordnet sind.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich jeder der Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) größer ist als die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich jeder der Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3).
Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer einer n-dotierten Kurzschlusszone (71) im Innenbereich (2) um so größer ist, je weiter diese in lateraler Richtung vom Außenbereich (3) beabstandet ist.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiterkörper (1), in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, eine den p-dotierten Emitter (8) kontaktierende erste Elektrode (13), einen Innenbereich (2) des Halbleiterkörpers (1), in dem eine Zündstruktur (10, 92) angeordnet ist, einen sich in lateraler Richtung an den Innenbereich (2) anschließenden Außenbereich (3), und wenigstens zwei n-dotierte Kurzschlusszonen (71, 72), die jeweils sowohl die erste Elektrode (13) als auch die n-dotierte Basis (7) kontaktieren und von denen wenigstens eine im Innenbereich (2) und wenigstens eine im Außenbereich (3) angeordnet ist, wobei die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) größer ist als die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3), dadurch gekennzeichnet, dass in einer lateral durch die n-dotierten Kurzschlusszonen (71, 72) verlaufenden Schnittebene (B1-B1', B2-B2', B3-B3') das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (F1i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) und der Querschnittsfläche (F1) des Innenbereichs (2) größer ist als das Verhältnis zwischen der Summe der Querschnittsflächen (F2i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3) zur Querschnittsfläche (F2) des Außenbereichs (3).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der mittlere Abstand (a1) zwischen den n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) kleiner ist als der mittlere Abstand (a2) zwischen den n-dotierten Kurzschlusszonen (72) im Außenbereich (3).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede der Querschnittsflächen (F1i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Innenbereich (2) größer ist als jede der Querschnittsflächen (F2i) der n-dotierten Kurzschlusszonen (71) im Außenbereich (3).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Querschnittsfläche (F1i) einer n-dotierten Kurzschlusszone (71) im Innenbereich (2) um so größer ist, je weiter sie in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (1) vom Außenbereich (3) beabstandet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem alle n-dotierten Kurzschlusszonen (71, 72) im Zentrum der jeweiligen Kurzschlusszone (71, 72) in vertikaler Richtung ein im Wesentlichen ähnliches Dotierungsprofil aufweisen.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die n-dotierte Basis (7) einen ersten Abschnitt (7a) und einen zweiten Abschnitt (7b), der zwischen dem ersten Abschnitt (7a) und der ersten Elektrode (13) angeordnet ist, aufweist, wobei der zweite Abschnitt (7b) stärker n-dotiert ist als der erste Abschnitt (7a).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die p-dotierte Basis (6) eine Widerstandszone (64) aufweist, deren mittlerer lateraler elektrischer Widerstand gegenüber dem mittleren lateralen elektrischen Widerstand der an die Widerstandszone (64) angrenzenden Abschnitte (63) der p-dotierten Basis (6) vergrößert ist.
Thyristor nach Anspruch 10, bei dem der Innenbereich (2) die Widerstandszone (64) zumindest teilweise umfasst.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Außenbereich (3) die Widerstandszone (64) zumindest teilweise umfasst.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in lateraler Richtung zwischen der Zündstruktur (10, 92) und dem n-dotierten Emitter (5) zumindest eine Treiberstufe mit einem n-dotierten Hilfsemitter (51) angeordnet ist, die in die p-dotierte Basis (6) eingebettet ist.
Thyristor nach Anspruch 13, bei dem zumindest eine Treiberstufe eine Elektrode (91) aufweist, die sowohl den Hilfsemitter (51) der betreffenden Treiberstufe als auch die p-dotierte Basis (6) kontaktiert.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zündstruktur (10, 92) als Durchbruchstruktur (10) ausgebildet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zündstruktur (10, 92) als lichtempfindlicher Bereich ausgebildet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zündstruktur (10, 92) als Gate-Elektrode (92) ausgebildet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer zweiten Elektrode (9), die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert, wobei der Außenbereich (3) den n-dotierten Emitter (5) vollständig umfasst.
Thyristor nach Anspruch 18, bei dem die lateralen Abmessungen des Außenbereichs (3) im Wesentlichen identisch sind mit den lateralen Abmessungen der zweiten Elektrode (9).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich der Außenbereich (3) im Wesentlichen bis zum lateralen Rand des Thyristors erstreckt.
Schaltungsanordnung mit einem Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche und einer in Reihe zu dem Thyristor geschalteten Diode (100).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, bei der die erste Elektrode (13) des Thyristors elektrisch leitend mit einer Kathode der Diode (100) verbunden ist.