DE102004047626B4

DE102004047626B4 - Thyristoren mit integriertem Freiwerdeschutz

Info

Publication number: DE102004047626B4
Application number: DE102004047626A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Hans-Joachim Dr. Schulze; Uwe Kellner-Werdehausen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047626A1

Abstract

Thyristor, der folgende Merkmale aufweist:
einen Halbleiterkörper (1), in dem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (1) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind,
einen Innenbereich (2) des Halbleiterkörpers (1) und einen sich in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) an den Innenbereich (2) anschließenden Außenbereich (3) des Halbleiterkörpers (1), und
wenigstens eine Zündstufe (AG1, AG2, AG3, AG4), die einen n-dotierten Zündstufen-Emitter (51) umfasst, der in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) vom n-dotierten Emitter (5) beabstandet ist und der sich ausgehend von der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) in die p-dotierte Basis (6) hinein erstreckt,
eine Elektrode (9), die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert,
wobei die Abmessungen des Außenbereichs (3) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) identisch sind mit den Abmessungen der Elektrode (9) in lateraler oder radialer...

Description

Die Erfindung betrifft Thyristoren integriertem Freiwerdeschutz.
Thyristoren weisen in hinlänglich bekannter Weise einen Halbleiterkörper auf, in dem in einer vertikalen 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.
Beim Abschalten derartiger Thyristoren, d. h. bei einem Übergang von einem leitenden in einen sperrenden Zustand, befinden sich im Halbleiterkörper noch freie Ladungsträger, die erst innerhalb einer sogenannten Freiwerdezeit so weit abgebaut sind, dass der Thyristor zuverlässig sperrt. Unterliegt der Thyristor jedoch innerhalb der Freiwerdezeit einer impulsartigen Spannungsbelastung, so kann es infolge einer noch hohen Anzahl freier Ladungsträger zu einem unkontrollierten Zünden des Thyristors insbesondere im Bereich unterhalb der Kathode, d. h. der den n-dotierten Emitter kontaktierenden Elektrode des Thyristors, kommen. Hierdurch können sich Stromfilamente mit derart hohen Stromdichten bilden, dass der Thyristor zerstört wird.
Um dies zu vermeiden, 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 H.-J. Schulze et al: "Thyristor with Integrated Forward Recovery Protec tion", Proc. ISPSD 2001 bekannt. Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Anordnung bezieht sich auf einen symmetrisch sperrenden Thyristor mit einer Amplifying-Gate(AG)-Struktur (= Zündstufenstruktur). Dabei werden zur Realisierung einer Freiwerdeschutzfunktion zwei Maßnahmen kombiniert: Zum einen wird die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich oder in einem Teilbereich einer Amplifying-Gate-Struktur deutlich höher gewählt als im Bereich der Elektrode der Hauptkathode. Zum anderen weist der Thyristor n-dotierte Inseln auf, die in den p-dotierten Emitter eingelagert sind und die zusammen mit diesem als lokale Transistoren wirken, die in der Sperrphase zusätzliche freie Ladungsträger zur Verfügung stellen.
Diese Anordnung genügt zwar den Anforderungen unter Standardbetriebstemperaturen. Beispielsweise beim Kaltstart von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlagen treten allerdings auch niedrige Temperaturen wie z. B. 5°C und weniger auf, die erhöhte Anforderungen an den integrierten Freiwerdeschutz stellen.
1 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Elektronen-Konzentration im Halbleiterkörper eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Thyristors gemäß dem Stand der Technik während des Abschaltvorgangs des Thyristors bei 90°C zu unterschiedlichen Simulationszeitpunkten. Die Elektronen-Konzentration ist in Abhängigkeit von einer lateralen bzw. radialen Richtung des Halbleiterkörpers logarithmisch dargestellt.
Der Thyristor weist einen Innenbereich 2 und einen sich in der radialen oder lateralen Richtung des Halbleiterkörpers daran anschließenden Außenbereich 3 auf. Im Folgenden ist der Einfachheit halber nur von der "radialen Richtung" die Rede, da Thyristoren vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sind. Generell ist damit jedoch mit "radialer Richtung" bzw. mit "lateraler Richtung" jede zur vertikalen Richtung senkrechte Richtung gemeint.
Als Grenze zwischen dem Innenbereich 2 und dem Außenbereich 3 an einer Stelle r = r0 ist hier exemplarisch der Außendurchmesser des n-Emitters der dem n-dotierten Hauptemitter nächstgelegenen AG-Stufe gewählt worden.
Die Ladungsträgerlebensdauer im Innenbereich 2 und im Außenbereich 3 ist dabei jeweils konstant gewählt, wobei sie im Innenbereich 2 größer ist als im Außenbereich 3.
Die einzelnen Kurven K1–K11 zeigen die Elektronen-Konzentration im Halbleiterkörper zu verschiedenen, aufeinanderfolgenden Zeiten während des Abschaltvorgangs des Thyristors. Die Kurve K1 gibt die stationäre Elektronen-Konzentration für den stromführenden, durchgeschalteten Zustand des Thyristors vor dem Abschalten wieder, und die Kurve K2 gibt die Elektronen-Konzentration beim Stromnulldurchgang des Thyristors im Anfangsstadium des Abschaltvorgangs wieder. Die Kurven K2–K11 zeigen die Elektronen-Konzentration im Halbleiterkörper zu aufeinander folgenden, zeitlich äquidistant voneinander beabstandeten Simulationszeitpunkten. Die Kurven K1–K11 geben in der Reihenfolge K1, K2, K3 ... K11 die zeitliche Entwicklung der Elektronen-Konzentration im Halbleiterkörper wieder.
Dabei ist bei den Kurven K2 und K3 zu erkennen, dass die Elektronen-Konzentration im Außenbereich 3 höher als im Innenbereich 2 und im Wesentlichen konstant ist.
Damit erfolgt ein Wiedereinschalten des Thyristors, das durch einen bei einer Elektronen-Konzentration gemäß den Kurven K2 oder K3 auf den Thyristor einwirkenden Spannungsstoß hervorgerufen wird, mit hoher Wahrscheinlichkeit im Außenbereich 3.
Hierdurch kann es im Außenbereich 3 zu einer Beschädigung des Thyristors durch die eingangs beschriebene Bildung von Stromfilamenten kommen, da der Thyristor nicht auf einen im Außen bereich 3 gelegenen Ort des Spannungsdurchbruchs ausgelegt ist.
Aus der EP 0 043 099 A2 ist ein lichtzündbarer Thyristor mit einem Halbleiterkörper bekannt, der einen ersten Bereich aufweist, welcher sich von einer Lichteintrittsstelle einer Kathoden-Elektrode bis zur gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers erstreckt. Dabei ist die Ladungsträgerlebensdauer im ersten Bereich größer als die Ladungsträgerlebensdauer eines sich an den ersten Bereich anschließenden, peripheren zweiten Bereichs des Halbleiterkörpers. Der zweite Bereich wird dadurch erzeugt, dass zur Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer Gold in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird.
Auch die JP 60-017961 A (Patent Abstracts of Japan) zeigt einen Thyristor, bei dem eine Beeinflussung der Ladungsträgerlebensdauer durch die Eindiffusion von Gold bewirkt wird. Dabei nimmt die Golddotierung des Thyristors ausgehend vom Zentrum zum Rand hin zu.
Die DE 199 47 028 A1 betrifft einen Thyristor mit einer Treiberstufe, die einen Emitter und eine Metallisierung umfasst. Der aus der kathodenseitigen Basis 16, der anodenseitigen Basis und dem anodenseitigen Emitter gebildete Transistor weist einen Transistorverstärkungsfaktor auf, der im Bereich der Treiberstufe größer ist als im Bereich der Kathode. Dabei ist die Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterbereich, der außerhalb der Kathode liegt und in dem auch die Treiberstufe angeordnet ist, deutlich höher gewählt als in dem unterhalb der Kathode liegenden Halbleiterbereich. Die Einstellung einer entsprechenden Verteilung der Ladungsträgerlebensdauer erfolgt mittels einer maskierten Elektronen- oder Protonenbestrahlung des Halbleiters, bei der der außerhalb der Kathode liegende Halbleiterbereich mittels einer Maske abgedeckt ist.
Aus der US 6,465,871 B2 ist ein Thyristor bekannt, in dessen Randbereich die Ladungsträgerlebensdauer durch Strahlungsdefekte reduziert ist.
Die US 4,281,336 A zeigt einen Thyristor mit Zündstufenstruktur, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer der Zündstufenstruktur im Bereich zwischen dem Hauptemitter und den Hilfsemitterzonen kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich zwischen den Hilfsemitterzonen und der Steuerelektrode, welche wiederum kleiner ist als die homogene Ladungsträgerlebensdauer im Volumenbereich des Bauelementes.
Die EP 0 301 761 A2 betrifft einen Thyristor mit einer Gate-Elektrode und einer Zündstufe, in deren Bereich die Landungsträgerlebensdauer größer ist als im Volumenbereich des Thyristors.
Aus H. J. Schulze u. a.: "Thyristor with Integrated Forward Recovery Protection Function" in Proc. 13^th International Symposium an Power Semiconductor Devices & ICs, ISPSD '01, 2001, ISBN 4-88686-056-7, Tokyo, Japan, S. 199–202, ist ein Thyristor mit einer Zündstufenstruktur bekannt, bei dem die Landungsträgerlebensdauer im Bereich der Hauptkathode gegenüber der Landungsträgerlebensdauer im Bereich der Zündstufenstruktur reduziert und in den jeweiligen Bereichen konstant ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Thyristor mit einer verbesserten Spannungsstoss-Belastbarkeit innerhalb der Freiwerdezeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch Thyristoren gemäß den Ansprüchen 1 und 5 gelöst. 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 Hauptemitter angeordnet sind. Des Weiteren umfasst der Halbleiterkörper einen Innenbereich sowie einen sich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers an den Innenbereich anschließenden Außenbereich, wobei zumindest ein Zündstufenemitter im Innenbereich angeordnet ist, und wobei die Ladungsträgerlebensdauer innerhalb des Außenbereiches in radialer Richtung mit zunehmendem Abstand vom Innenbereich des Halbleiterkörpers streng monoton abnimmt. Weiterhin ist wenigstens eine Zündstufe vorgesehen, die einen n-dotierten Zündstufenemitter aufweist, der in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers vom n-dotierten Hauptemitter beabstandet ist, und der sich ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers in die p-dotierte Basis hinein erstreckt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist ein erfindungsgemäßer Thyristor einen 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 Hauptemitter angeordnet sind. Des Weiteren umfasst der Halbleiterkörper einen Innenbereich sowie einen sich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers an den Innenbereich anschließenden Außenbereich. Der Thyristor umfasst außerdem eine Elektrode, die den n-dotierten Emitter kontaktiert. Die Abmessungen des Außenbereichs in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers sind identisch mit den Abmessungen, die die Elektrode in der lateralen oder radialen Richtung des Halbleiterkörpers besitzt. Innerhalb des Außenbereiches nimmt die Ladungsträgerlebensdauer in der lateralen oder in der radialen Richtung des Halbleiterkörpers monoton ab. Weiterhin ist wenigstens eine Zündstufe vorgesehen, die einen n-dotierten Zündstufenemitter aufweist, der in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers vom n-dotierten Hauptemitter beabstandet ist, und der sich ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers in die p-dotierte Basis hinein erstreckt.
Mittels der vorangehend erläuterten Ausgestaltungen eines Thyristors kann erreicht werden, dass im stromführenden Fall die Ladungsträgerkonzentration auf der dem Innenbereich zugewandten Seite des Außenbereichs höher ist als in den anderen Abschnitten des Außenbereichs, so dass sich das beim Abschalten des Thyristors verbleibende Restplasma auf die dem Innenbereich zugewandte Seite des Außenbereichs konzentriert. Dadurch können vermehrt Ladungsträger in den Innenbereich diffundieren und so zu einer kontrollierten, vom Innenbereich ausgehenden Zündung beitragen, wenn der Thyristor infolge eines während der Abschaltphase auftretenden Spannungspulses zündet.
Die im Innenbereich angeordnete Zündstufen-Struktur (Amplifying-Gate-Struktur) mit einer oder mehreren Zündstufen kann einen auftretenden Zündstrom unter Verwendung der in den Innenbereich diffundierten Ladungsträger des Restplasmas kontrolliert verstärken, so dass die Zündausbreitung in radialer Richtung des Halbleiterkörpers ausgehend vom Innenbereich in Richtung der dem Innenbereich abgewandten Seite des Außenbereichs erfolgt.
Der Innenbereich umfasst bevorzugt eine Zündstruktur, die beispielsweise aus einer Durchbruchsdiode, einem lichtempfindlichen Bereich zur Zündung des Thyristors mittels Licht, oder aus einer Gate-Elektrode bestehen kann.
Der erfindungsgemäße Thyristor wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 zeigt das Ergebnis eine Simulation der Elektronenkonzentration im Halbleiterkörper eines Thyristors gemäß dem Stand der Technik während des Abschaltvorgangs des Thyristors,
2 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors, bestehend aus einem Innenbereich mit einer Durchbruchsdiode und einer vierstufigen AG-Struktur, sowie einen Teil des Außenbereiches, bestehend aus der Hauptkathode, in der optional vorhandene Kathodenkurzschlüsse nicht gezeigt sind,
3 den Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer innerhalb des Außenbereiches des Halbleiterkörpers mit in radialer Richtung vom Innenbereich des Halbleiterkörpers zunehmendem Abstand linear abnimmt,
4 den Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem der Außenbereich mehrere Abschnitte aufweist, in denen die Ladungsträgerlebensdauer mit in radialer Richtung vom Innenbereich des Halbleiter körpers zunehmendem Abstand unterschiedlich stark linear abnimmt,
5 den Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem der Außenbereich einen Abschnitt aufweist, in dem die Ladungsträgerlebensdauer konstant ist,
6 den Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors gemäß 5, bei dem der Außenbereich eine Anzahl von Abschnitten aufweist, in denen die Ladungsträgerlebensdauer jeweils konstant ist,
7 eine im Außenbereich mit zunehmendem Abstand vom Innenbereich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers kontinuierlich abnehmende Ladungsträgerlebensdauer,
8 einen mit Elektronen unter Verwendung einer Maske von seiner Vorderseite bestrahlten Halbleiterkörper eines Thyristors, wobei die Maske im Außenbereich als Kegelring ausgebildet ist im Querschnitt,
9 einen mit Elektronen unter Verwendung einer Maske von seiner Vorderseite bestrahlten Halbleiterkörper eines Thyristors, wobei die Maske im stufenförmig ausgebildet ist im Querschnitt, und
10 das Ergebnis eine Simulation der Elektronenkonzentration im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors bei 90°.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
2 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors. Der Thyristor ist bevorzugt im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer vertikal verlaufenden Achse A-A' und weist einen Halbleiterkörper 1 auf, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-Emitter 8, eine n-Basis 7, eine p-Basis 6 und ein n-Emitter 5 angeordnet sind.
Auf dem Halbleiterkörper 1 sind Elektroden 9, 91 und 13 angeordnet. 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 des Halbleiterkörpers 1 voneinander beabstandet und auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers 1 angeordnet. Die Anode 13 kontaktiert den p-Emitter 8 und die Kathode 9 den n-Emitter 5.
Der Thyristor weist des weiteren einen Innenbereich 2 und einen sich in radialer Richtung daran anschließenden Außenbereich 3 auf. Die Grenze zwischen Innenbereich 2 und Außenbereich 3 ist durch eine Linie B-B' markiert. Die Grenze B-B' liegt vorzugsweise in etwa auf dem Innenradius des n-Emitters 5. Sie kann aber auch bei kleineren Radialkoordinaten innerhalb des AG-Bereiches liegen, der durch einen Abschnitt des Halbleiterkörpers festgelegt ist, in dem die Zündstufen (AG1, AG2, AG3, AG4) angeordnet sind.
Erfindungsgemäß nimmt, wie im folgenden anhand der 3 bis 7 beispielhaft gezeigt wird, die Ladungsträgerlebensdauer τ innerhalb des Außenbereiches 3 des Halbleiterkörpers 1 mit in radialer Richtung r vom Innenbereich 2 des Halbleiterkörpers 1 zunehmendem Abstand d monoton ab. Das bedeutet, dass in einer bestimmten radialen Richtung r des Halbleiterkörpers 1 die Ladungsträgerlebensdauer für jeden Abstand einer Stelle im Außenbereich 3 zum Innenbereich 2 höchstens ebenso lang ist wie die Ladungsträgerlebensdauer für jeden anderen Abstand zum Innenbereich 2, der größer ist als der bestimmte Abstand.
3 zeigt den Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer τ im Halbleiterkörper eines Thyristors in einer bestimmten radialen Richtung des Halbleiterkörpers. Die dargestellte Symmetrieachse A-A' entspricht der in 2 gezeigten Symmetrieachse A-A'. Die Grafik gibt die Ladungsträgerlebensdauer τ in Abhängigkeit von einem Abstand r von der Symmetrieachse A-A' in einer radialen Richtung des Halbleiterkörpers an.
Der Thyristor weist einen Innenbereich 2 auf, der sich bis zu einem Abstand r0 von der Symmetrieachse A-A' erstreckt. An den Innenbereich 2 schließt sich in einer radialen Richtung des Halbleiterkörpers ein Außenbereich 3 an. Eine bestimmte Stelle im Außenbereich 3 weist einen Abstand d vom Innenbereich 2 auf, wobei folgender Zusammenhang gilt: r = d + r0 (1)
Der Innenbereich 2, der sich von r = 0 bis r = r0 erstreckt, weist vorzugsweise eine radial unabhängige Ladungsträgerlebensdauer τ = τ0 auf, in jedem Fall aber eine Lebensdauerverteilung, deren minimaler Wert τ0 größer ist als die Ladungsträgerlebensdauer im Außenbereich 3. An der Stelle r = r0, was gleichbedeutend ist mit d = 0, sinkt die Ladungsträgerlebensdauer τ auf τ = τ1 ≤ τ0 ab.
Ab dem sich an den Innenbereich 2 anschließenden Außenbereich 3 fällt die Ladungsträgerlebensdauer τ mit zunehmendem Abstand d in radialer Richtung des Halbleiterkörpers monoton ab. Betrachtet man also in einer bestimmten radialen Richtung des Halbleiterkörpers eine erste Stelle des Außenbereichs 3 bei einem Abstand d1 vom Innenbereich 2, die eine Ladungsträgerlebensdauer τ2 aufweist, und eine zweite Stelle des Außenbereichs 3 bei einem Abstand d2 vom Innenbereich 2, die eine Ladungsträgerlebensdauer τ3 aufweist, so ist τ3 <= τ2 für alle d2 >= d1 bzw. r2 >= r1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nimmt, wie ebenfalls in 3 gezeigt, die Ladungsträgerlebensdauer τ im Halbleiterkörper mit zunehmendem Abstand d vom Innenbereich 2 linear ab.
4 zeigt ebenfalls eine innerhalb des Außenbereichs 3 mit zunehmendem Abstand d in radialer Richtung des Halbleiterkörpers vom Innenbereich 2 monoton abnehmende Ladungsträgerlebensdauer τ. Dabei weist der Außenbereich 3 Abschnitte 31, 32, 33 auf, in denen die Ladungsträgerlebensdauer τ jeweils linear mit dem Abstand d abnimmt.
Zwischen zwei Abschnitten mit linear abfallender Ladungsträgerlebensdauer τ können auch noch Abschnitte angeordnet sein, bei denen die Ladungsträgerlebensdauer τ zumindest monoton, ansonsten jedoch beliebig abfällt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 4 dargestellt ist, schließen die Abschnitte 31, 32, 33 mit jeweils linear mit dem Abstand d vom Innenbereich 2 abfallender Ladungsträgerlebensdauer τ aneinander an.
Der Innenbereich 2 weist vorzugsweise eine radial unabhängige Ladungsträgerlebensdauer τ = τ0 auf, in jedem Fall aber eine Lebensdauerverteilung, deren minimaler Wert τ0 größer ist als die Ladungsträgerlebensdauer im Außenbereich (3). An der Stelle r = r0, d. h. bei d = 0, an der der Außenbereich 3 beginnt, beträgt die Ladungsträgerlebensdauer τ = τ1. In einem ersten Abschnitt 31 des Außenbereichs 3, der sich von r = r0 bis r = r1 erstreckt, nimmt die Ladungsträgerlebensdauer τ von τ = τ1 ≤ τ0 linear auf τ = τ4 ab.
Auf der dem Innenbereich 2 abgewandten Seite des ersten Abschnitts 31 des Außenbereichs 3 schließt sich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers bei einer Stelle r = r1 ein zweiter Abschnitt 32 des Außenbereichs 3 an, der sich bis zu einer Stelle r = r2 erstreckt. Dabei sinkt die Ladungsträger lebensdauer τ von τ = τ4 an der Stelle r = r1 auf τ = τ5 an der Stelle r = r2 linear.
In einem sich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers für r >= r2 an den zweiten Abschnitt 32 anschließender dritter Abschnitt 33 des Außenbereichs 3 fällt die Ladungsträgerlebensdauer τ wiederum linear ab.
Alternativ dazu kann entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Ladungsträgerlebensdauer τ in einem der Abschnitte 31, 32, 33, bevorzugt in dem am weitesten vom Innenbereich 2 beabstandeten Abschnitt 33, konstant sein.
Der in 5 gezeigte Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer τ zeigt einen vierten Abschnitt 34, der sich von einer Stelle r = r0 bis zu einer Stelle r = r3 erstreckt, sowie einen fünften Abschnitt 35 des Außenbereichs 3, der sich ausgehend von der Stelle r = r3 an den vierten Abschnitt 34 anschließt.
Der Innenbereich 2, der vierte Abschnitt 34 und der fünfte Abschnitt 35 sind vorzugsweise aufeinander folgend angeordnet. Dabei weist der vierte Abschnitt 34 eine konstante Ladungsträgerlebensdauer τ = τ1 auf, während die Ladungsträgerlebensdauer τ im fünften Abschnitt 35 ausgehend von τ = τ1 an der Stelle r = r3 mit zunehmendem Abstand d vom Innenbereich 2 in radialer Richtung des Halbleiterkörpers vorzugsweise linear abnimmt.
Ein weiterer bevorzugter Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer τ im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors ist in 6 gezeigt. Dabei umfasst der Außenbereich wenigstens zwei Abschnitte 36, 37, 38, in denen die Ladungsträgerlebensdauer τ6, τ7, τ8 jeweils konstant ist. Bevorzugt besteht der Außenbereich 3 ausschließlich aus derartigen Abschnitten 36, 37, 38 mit konstanter Ladungsträgerlebensdauer τ. Dabei ist die Ladungsträgerlebensdauer τ eines bestimmten Abschnittes 36, 37, 38 umso kürzer, je weiter der betreffende Abschnitt 36, 37, 38 vom Innenbereich 2 in radialer Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet ist.
7 zeigt eine im Außenbereich 3 mit zunehmendem Abstand d vom Innenbereich 2 in radialer Richtung des Halbleiterkörpers kontinuierlich abnehmende Ladungsträgerlebensdauer τ. Dabei nimmt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Änderung der Ladungsträgerlebensdauer τ in Abhängigkeit vom Abstand d vom Innenbereich 2, d. h. der Betrag der Ableitung der Ladungsträgerlebensdauer |∂τ/∂d| in radialer Richtung mit zunehmendem Abstand d monoton oder streng monoton ab.
Anhand der 3 bis 7 wurden einige Varianten von Verläufen der Ladungsträgerlebensdauer τ im Halbleiterkörper eines erfindungsgemäßen Thyristors beispielhaft gezeigt. Grundsätzlich umfasst die Erfindung jedoch alle möglichen Thyristoren, bei denen die Ladungsträgerlebensdauer τ innerhalb des Außenbereiches 3 des Halbleiterkörpers mit in radialer Richtung vom Innenbereich 2 des Halbleiterkörpers 1 zunehmendem Abstand monoton abnimmt. Insbesondere können dabei beliebig viele Abschnitte des Außenbereichs 3 mit konstanten sowie monoton, streng monoton oder linear abnehmenden Ladungsträgerlebensdauern τ in radialer Richtung des Halbleiterkörpers in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein.
Die bisherigen Ausführungen bezogen sich lediglich auf den Grundaufbau eines Thyristors. Darüber hinausgehend können Thyristoren jedoch noch weitere, optionale Merkmale aufweisen. Einige dieser Merkmale sind ebenfalls in 2 gezeigt und werden im Folgenden näher erläutert.
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 zum Einen gekrümmt ausgebildet und zum Anderen vorzugsweise 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 und ansteigender Spannung im Bereich der Durchbruchstruktur 10 liegt.
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 zur Zündung des Thyristors 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 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Thyristors jeweils voneinander beabstandet mehrere Zündstufen angeordnet, von denen jede eine in die p-Basis 6 eingebettete, schwach n-dotierte Zone 51 umfasst, die sich bevorzugt bis zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Die n-dotierten Zonen 51 werden im Folgenden als Zündstufen-Emitter 51 bezeichnet. Neben einem Zündstufen-Emitter 51 umfasst jede der Zündstufen eine optionale Elektrode 91, die bevorzugt auf der dem n-Emitter 5 zugewandten Seite des betreffenden Zündstufen-Emitters 51 sowohl den Zündstufen-Emitter 51 als auch die p-Basis 6 kontaktiert.
Die Zündstufen sind optional, ihre Anzahl ist prinzipiell beliebig. 2 zeigt beispielhaft vier solche Zündstufen. Solche Zündstufen 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 Zündstufen jeweils verstärkt, bis der Zündstrom schließlich den n-Emitter 5 erreicht und den Thyristor vollständig, d. h. in dem in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 durch die Abmessungen des n-Emitters 5 vorgegebenen Bereich des Halbleiterkörpers 1 zündet.
Die Gate-Elektrode 92 kann in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 an einer beliebigen Stelle, insbesondere auch zwischen zwei benachbarten Zündstufen, oder zwischen dem n-Emitter 5 und der diesem nächstgelegenen Zündstufe, vom n-Emitter 5 beabstandet angeordnet sein. Weist eine der Zündstufen eine Elektrode 91 auf, so kann diese ebenfalls als Gate-Elektrode 92 verwendet werden.
Die p-Basis 6 des in 2 gezeigten Thyristors umfasst des Weiteren eine Widerstandszone 64, in der der spezifische elektrische Widerstand der p-Basis 6 größer ist als in deren in Richtung der Durchbruchstruktur 10 bzw. in Richtung des n-Emitters 5 an die Widerstandszone 64 angrenzenden Abschnitte 63 und 65. Die Widerstandszone 64 dient dazu, den in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 in der p-Basis 6 fließenden Zündstrom auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Die Widerstandszone 64 kann in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 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 Zündstufen aufweist, kann die Widerstandszone 64 in radialer Richtung r des Halbleiterkörpers 1 auch zwischen der Durchbruchstruktur 10 und der zu dieser nächstgelegenen Zündstufe angeordnet sein. Entsprechend kann die Widerstandszone 64 auch in radialer Richtung r zwischen dem n-Emitter 5 und der diesem nächstgelegenen Zündstufe angeordnet sein. Weist der Thyristor zwei oder mehrere Zündstufen auf, so kann sich die Widerstandszone 64 auch zwischen zwei beliebigen, bevorzugt benachbarten Zündstufen befinden.
Bei der vorstehenden Betrachtung des Verlaufs der Ladungsträgerlebensdauer τ war lediglich von einem Innenbereich 2 und von einem sich in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 an diesen anschließenden Außenbereich 3 die Rede. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristors umfasst der Innenbereich zumindest eine Zündstruktur, also z. B. eine Durchbruchsstruktur und/oder einen lichtempfindlichen Bereich und/oder eine Gate-Elektrode 92. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind im Innenbereich 2 wenigstens ein, besonders bevorzugt alle Zündstufen-Emitter 51 angeordnet. Auch eine Widerstandszone 64 der p-Basis 6 ist bevorzugt im Innenbereich 2 angeordnet. Die Widerstandszone 64 kann jedoch auch vollständig im Außenbereich 3 angeordnet sein. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Grenze zwischen dem Innenbereich 2 und dem Außenbereich 3 innerhalb der Widerstandszone 64 verläuft.
Der Außenbereich 3 des Thyristors erstreckt sich bevorzugt im Wesentlichen bis zum radialen Rand des Thyristors. Besonders bevorzugt sind die Abmessungen des Außenbereichs 3 in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 im Wesentlichen identisch mit den Abmessungen der Elektrode 9 in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1.
Die Ladungsträgerlebensdauer τ des Halbleiterkörpers 1 in dessen Innenbereich 2 ist bevorzugt an jeder Stelle des Innenbereichs 2 größer als an jeder Stelle des Außenbereichs. Besonders bevorzugt ist die Ladungsträgerlebensdauer τ im Innenbereich 2 konstant oder monoton von innen nach außen abnehmend.
Zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer τ in bestimmten Bereichen eines Halbleiterkörpers 1 eignet sich eine maskierte Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 mit Teilchen ausgehend von dessen Vorderseite 11, beispielsweise mit Elektronen. Dabei wird die Ladungsträgerlebensdauer τ umso stärker verkürzt, je höher die eingestrahlte Teilchen-Dosis ist.
8 zeigt einen mit Elektronen 101 unter Verwendung einer metallischen, beispielsweise aus Stahl oder Wolfram gebildeten Maske 100 von seiner Vorderseite 11 bestrahlten Halbleiterkörper 1 eines Thyristors. Der Thyristor entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Thyristor, ist jedoch nur schematisch dargestellt. Ausgehend von einer nicht dargestellten Elektronenquelle fallen, in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 gleichmäßig verteilt, Elektronen 101 in Richtung der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1. Durch eine Maske 100, die zwischen der Elektronenquelle und der Vorderseite 11 angeordnet ist, wird abhängig von deren Dicke ein Teil der Elektronen absorbiert, während ein anderer Teil durch die Maske 100 hindurchtreten, durch die Vorderseite 11 in den Halbleiterkörper 1 einfallen kann, so dass dessen Ladungsträgerlebensdauer reduziert wird. Durch eine in radialer Richtung des Halbleiterkörpers 1 variierende Dicke der Maske 100 lässt sich ein von der radialen Richtung des Halbleiterkörpers 1 abhängiges Profil der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1 einstellen. Auch wenn die Energie der Elektronen und die radial variierende Dicke der Maske so gewählt werden, dass die Elektronen die Maske und eventuell auch den Thyristor durchdringen, führt die mit zunehmender Maskendicke zunehmende Reduktion der Elektronenenergie zu einer radialen Abnahme der Ladungsträgerlebensdauer.
Mittels der in 8 gezeigten Maske 100 kann näherungsweise ein Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer gemäß 3 erzeugt werden, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer τ des Außenbereichs 3 mit dem Abstand vom Innenbereich 2 linear abnimmt. Dazu verringert sich die Dicke D2 der Maske 100 im Außenbereich 3 mit zunehmendem Abstand d vom Innenbereich 2. Dies lässt sich bevorzugt mittels einer Maske 100 erreichen, die im Außenbereich 3 wie ein Kegelring ausgebildet ist. Der Innenbereich 2 weist eine bevorzugt konstante Dicke D1 auf, die besonders bevorzugt größer ist als die größte Dicke D2(d = 0) der Maske 100 im Außenbereich 3.
9 zeigt die Bestrahlung eines Halbleiterkörpers 1 mit Elektronen 101 entsprechend 8, wobei die verwendeten Masken 100 unterschiedlich geformt sind. Mittels der Maske 100 gemäß 9 kann ein stufiger Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1 hergestellt werden, wie er in 6 dargestellt ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Maske 100 über den gesamten Halbleiterkörper 1 vollständig als Kegel ausgebildet. Damit wird ein ausgehend von der Achse A-A' linear abfallender Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer bis hin zu der dem Innenbereich 2 abgewandten Seite des Außenbereichs 3 erreicht.
Die Maske 100 weist im Innenbereich 2 eine konstante Dicke D3 auf. In den Abschnitten 36, 37 und 38 des sich an den Innenbereich 2 anschließenden Außenbereichs 3 sind die entsprechenden Dicken D4, D5 und D6 der Maske 100 ebenfalls jeweils konstant, wobei die Dicken umso geringer gewählt sind, je größer der Abstand des betreffenden Abschnitts 36, 37, 38 des Außenbereichs 3 vom Innenbereich 2 ist.
10 zeigt einen Verlauf der Elektronen-Konzentration im Halbleiterkörper eines Thyristors während des Abschaltvorgangs. Die Voraussetzungen sind entsprechen wie bereits in 1 dargelegt, wobei im Unterschied zu 1 die Ladungsträgerlebensdauer bei dem in 10 beschriebenen Thyristor im Außenbereich, wie anhand von 6 beschrieben, abnimmt und der Außenbereich 3 lediglich zwei Teilbereiche enthält.
Dies bewirkt, dass die höchste Elektronen-Konzentration zu allen Zeiten während des Abschaltvorgangs entweder im Innenbereich 2 oder auf der dem Innenbereich 2 zugewandten Seite des Außenbereichs 3 auftritt. Ferner ist die Elektronenkonzentration bei r = 0 im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Fall um 40% größer.
Damit wird ein Wiedereinschalten des Thyristors, der durch einen während des Abschaltvorgangs auf den Thyristor einwirkenden Spannungsstoß hervorgerufen wurde, im Innenbereich 2 begünstigt, so dass der Thyristor kontrolliert einschalten kann, ohne beschädigt zu werden.

1: Halbleiterkörper
10: Durchbruchstruktur
11: Vorderseite des Halbleiterkörpers
13: Anode des Thyristors
2: Innenbereich
3: Außenbereich
31–38: Teilbereich des Außenbereichs
5: n-Emitter
51: Zündstufen-Emitter
6: p-Basis
61: Abschnitt der p-Basis
62: Abschnitt der p-Basis
63: Abschnitt der p-Basis
64: Widerstandszone
65: Abschnitt der p-Basis
7: n-Basis
73: Abschnitt der n-Basis
8: p-Emitter
9: Kathode des Thyristors
91: Elektrode des Zündstufen-Emitters
92: Gate-Elektrode
100: Maske
101: Elektronen
110: Licht
A-A': Symmetrieachse
B-B': Grenze zwischen Innenbereich und Außenbereich
d: Abstand zum Innenbereich
D1–D6: Dicke der Maske
R: Widerstand der Widerstandszone 64
τ0–τ8: Ladungsträgerlebensdauer
AG1–AG4: Zündstufen (Amplifying Gates, AGs)
K1–K11: laterale bzw. radiale Elektronenverteilungen
r: laterale bzw. radiale Koordinate
r0: Grenzradius, bei dem der Innenbereich 2 an den Außenbereich 3 grenzt

Claims

Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiterkörper (1), in dem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (1) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, einen Innenbereich (2) des Halbleiterkörpers (1) und einen sich in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) an den Innenbereich (2) anschließenden Außenbereich (3) des Halbleiterkörpers (1), und wenigstens eine Zündstufe (AG1, AG2, AG3, AG4), die einen n-dotierten Zündstufen-Emitter (51) umfasst, der in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) vom n-dotierten Emitter (5) beabstandet ist und der sich ausgehend von der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) in die p-dotierte Basis (6) hinein erstreckt, eine Elektrode (9), die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert, wobei die Abmessungen des Außenbereichs (3) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) identisch sind mit den Abmessungen der Elektrode (9) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1), und wobei die Ladungsträgerlebensdauer (τ, τ0–τ8) innerhalb des Außenbereiches (3) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) mit zunehmendem Abstand (d) vom Innenbereich (2) monoton abnimmt.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem der Außenbereich (3) einen ersten Teilbereich (34, 36, 37, 38) aufweist, in dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ1, τ6, τ7, τ8) konstant ist.
Thyristor nach Anspruch 2, bei dem der Außenbereich (3) wenigstens einen zweiten Teilbereich (34, 36, 37, 38) aufweist, in dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ1, τ6, τ7, τ8) konstant, jedoch verschieden von der Ladungsträgerlebensdauer (τ1, τ6, τ7, τ8) in dem ersten Teilbereich (34, 36, 37, 38) ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) innerhalb des Außenbereiches (3) des Halbleiterkörpers (1) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) mit zunehmendem Abstand (d) vom Innenbereich (2) streng monoton abnimmt.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: einen Halbleiterkörper (1), in dem in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (1) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, einen Innenbereich (2) des Halbleiterkörpers (1) und einen sich in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) an den Innenbereich (2) anschließenden Außenbereich (3) des Halbleiterkörpers (1), und wenigstens eine Zündstufe (AG1, AG2, AG3, AG4), die einen n-dotierten Zündstufen-Emitter (51) umfasst, der in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) vom n-dotierten Emitter (5) beabstandet ist und der sich ausgehend von der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) in die p-dotierte Basis (6) hinein erstreckt, wobei zumindest ein Zündstufen-Emitter (51) im Innenbereich (2) angeordnet ist, und wobei die Ladungsträgerlebensdauer (τ, τ0–τ8) innerhalb des Außenbereiches (3) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) mit zunehmendem Abstand (d) vom Innenbereich (2) streng monoton abnimmt.
Thyristor nach Anspruch 5, der eine Elektrode (9) aufweist, die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert.
Thyristor nach Anspruch 6, bei dem die Abmessungen des Außenbereichs (3) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) identisch sind mit den Abmessungen der Elektrode (9) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1).
Thyristor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem alle Zündstufen-Emitter (51) im Innenbereich (2) angeordnet sind.
Thyristor nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Grenze zwischen dem Innenbereich (2) und dem sich daran anschließenden Außenbereich (3) innerhalb eines Abschnitts des Halbleiterkörpers (1) verläuft, in dem die Zündstufen (AG1, AG2, AG3, AG4) angeordnet sind.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Betrag der Ableitung der Ladungsträgerlebensdauer (τ) nach dem Abstand (d) vom Innenbereich (2) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) mit zunehmendem Abstand (d) vom Innenbereich (2) monoton oder streng monoton abnimmt.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) innerhalb des Außenbereiches (3) des Halbleiterkörpers (1) in lateraler oder radialer Richtung des Halbleiterkörpers (1) mit zunehmendem Abstand (d) vom Innenbereich (2) linear abnimmt.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) an jeder Stelle des Innenbereichs (2) größer ist als an jeder Stelle des Außenbereichs (3).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der als symmetrisch sperrender Thyristor ausgebildet ist.