DE102008039742B4

DE102008039742B4 - Zündstufenthyristor mit Rückkopplung durch nicht-ohmsche Impedanz und Schaltungsanordnung mit einem derartigen Thyristor

Info

Publication number: DE102008039742B4
Application number: DE200810039742
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Uwe Kellner-Werdehausen; Dieter Prof. Dr. Silber; Reiner Dr. Barthelmess; Eswar Kumar Chukaluri
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: DE102008039742A1

Abstract

Thyristor mit einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer lateralen Richtung (r1, r2) zwischen einem Zündbereich (Z) und einem seitlichen Rand (13) des Halbleiterkörpers (13) ausgehend von dem Zündbereich (Z) ein Zündstufenbereich (ZS) mit einer ersten Zündstufe (ZS1, ZS2, ZS3) und ein Hauptkathodenbereich (HB) angeordnet sind, wobei die erste Zündstufe (ZS1, ZS2, ZS3) mittels einer nicht-ohmschen Impedanz (Z_FB) mit einer nachfolgenden Zündstufe (ZS2, ZS3) und/oder mit dem Hauptkathodenbereich (HB) elektrisch gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit Zündstufenstruktur. Eine derartige Zündstufenstruktur ist auch als Amplifying-Gate-Struktur bekannt und dient dazu, den Thyristor gezielt mittels einer oder mehrerer aufeinanderfolgend angeordnete Zündstufen zu zünden. Ausgehend von einem Zündbereich, in dem ein die Zündung des Thyristors auslösendes Ereignis stattfindet, breitet sich ein Zündimpuls über die Zündstufenstruktur hinweg aus, bis er schließlich den Hauptbereich des Thyristors erreicht und diesen zündet. Hierbei kann es bei einer hohen Stromanstiegsgeschwindigkeit (hohe dI/dt-Belastung, wobei I den Thyristorstrom und t die Zeit bedeuten), insbesondere, wenn die Zündung bei einer hohen am Thyristor anliegenden Spannung erfolgt, zu Ausfällen einzelner Zündstufen kommen, wenn die darauf folgende Zündstufe den Strom der vorangehenden Zündstufe nicht rechtzeitig übernimmt, da dann an der vorangehenden Zündstufe eine erhöhte Stromdichte auftritt, die zu einer starken Aufheizung und somit zu einer lokalen Aufschmelzung im Bereich der vorangehenden Zündstufe führen kann. Hinsichtlich einer derartigen Zerstörung ist vor allem die dem Zündbereich nächstgelegene Zündstufe gefährdet.
Aus der DE 10 2006 001 252 A1 ist ein Thyristor bekannt, der eine Durchbruchstruktur und einen Hauptemitter aufweist, sowie eine zwischen der Durchbruchstruktur und dem Hauptemitter angeordnete Zündstufenstruktur. Die Zündstufenstruktur umfasst mehrere n-dotierte Zündstufenemitter, die voneinander beabstandet in der p-dotierten Basis des Thyristors angeordnet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Thyristor bereitzustellen, der bei hohen Anstiegsgeschwindig keiten des Thyristorstroms einen verbesserten Schutz der Zündstufenstruktur bietet.
Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Schaltungsanordnung mit einem solchen Thyristor nach Anspruch 23 gelöst. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Thyristor weist einen Halbleiterkörper auf, in dem in einer lateralen Richtung zwischen einem Zündbereich und einem seitlichen Rand des Halbleiterkörpers ausgehend von dem Zündbereich ein Zündstufenbereich und ein Hauptkathodenbereich angeordnet sind. Der Zündstufenbereich umfasst eine erste Zündstufe, die mittels einer nicht-ohmschen Impedanz mit einer nachfolgenden Zündstufe und/oder mit dem Hauptkathodenbereich elektrisch gekoppelt ist. In diesem Sinn wird eine Zündstufe als nachfolgende Zündstufe bezeichnet, wenn sie beim Zündvorgang später zündet als die erste Zündstufe. Eine nachfolgende Zündstufe ist in der lateralen Richtung zwischen der ersten Zündstufe und dem Hauptkathodenbereich angeordnet. Bei der ersten Zündstufe kann es sich um die dem Zündbereich nächstliegende Zündstufe handeln, oder um eine Zündstufe, die in der lateralen Richtung zwischen der dem Zündbereich nächstgelegen Zündstufe und dem Hauptkathodenbereich angeordnet ist.
Allgemein lässt sich eine Impedanz Z in der Form Z = R + j·Xdarstellen, wobei R den Wirkwiderstand, X den Blindwiderstand und j die imaginäre Einheit mit j² = –1 bedeuten. Im Rahmen dieser Beschreibung wird als nicht-ohmsche Impedanz jede Impedanz verstanden, die eine von einem ohmschen Widerstand abweichende Kennlinie aufweist. Eine nicht-ohmsche Impedanz liegt unabhängig vom Wert des Wirkwiderstandes R vor, wenn der Blindwiderstand X verschieden von Null ist. Dies gilt selbst dann, wenn der Wirkwiderstand R gleich Null ist. Eine nicht-ohmsche Impedanz liegt weiterhin auch dann vor, wenn der Blindwiderstand X gleich Null ist und der Wirkwiderstand R0 eine nicht-lineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist.
Optional kann der Thyristor eine zweite Zündstufe und darüber hinaus noch weitere Zündstufen aufweisen, die zwischen der ersten Zündstufe und dem Hauptkathodenbereich angeordnet sind. In diesem Fall kann die erste Zündstufe z. B. die dem Zündbereich nächstgelegene Zündstufe sein. Bei der zweiten Zündstufe kann es sich insbesondere um die der ersten Zündstufe in Richtung des Hauptkathodenbereichs nächstgelegene Zündstufe handeln. Zwischen der ersten Zündstufe und der zweiten Zündstufe können außerdem eine oder mehrere weitere Zündstufen angeordnet sein. Zwischen der zweiten Zündstufe und dem Hauptkathodenbereich können ebenfalls eine oder mehrere weitere Zündstufen angeordnet sein.
Die nicht-ohmsche Impedanz kann insbesondere eine Kapazität, beispielsweise mit mehr als 0,5 nF oder mehr als 2 nF umfassen oder als solche ausgebildet sein. Die nicht-ohmsche Impedanz oder deren Bestandteile, beispielsweise eine Kapazität, kann vollständig oder teilweise in den Thyristor, insbesondere in den Halbleiterkörper, integriert werden. Ebenso ist es möglich, den Thyristor extern mit einer nicht-ohmschen Impedanz zu beschalten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Kapazität als Bestandteil einer solchen nicht-ohmschen Impedanz, zwischen dem Hauptkathodenbereich und dem seitlichen Rand des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Eine solche Kapazität kann eine stark p-dotierte Zone umfassen, die in einer im Halbleiterkörper ausgebildeten p-dotierten Basis des Thyristors angeordnet ist. Insbesondere kann die stark p-dotierte Zone zwischen zwei Zündstufen, z. B. zwischen zwei benachbarten Zündstufen, angeordnet sein. Weiterhin kann die stark p-dotierte Zone zwischen der am weitesten vom Hauptkathodenbereich beabstandeten Zündstufe und der dieser nächstgelegenen Zündstufe angeordnet sein.
Die Herstellung einer Kapazität, die eine derartige stark p-dotierte Zone umfasst, kann mittels einer Kondensator-Elektrode erfolgen, sowie mittels eines Dielektrikums, das zwischen der Kondensator-Elektrode und der stark p-dotierten Zone angeordnet ist. Das Dielektrikum kann eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, in die sich ein Fortsatz der Kondensator-Elektrode hinein erstreckt und eine elektrisch leitende Verbindung zu der stark p-dotierten Zone herstellt. Außerdem kann die Kondensator-Elektrode die stark p-dotierte Zone und/oder die p-dotierte Basis kontaktieren. Dabei kann sich die Kontaktstelle beispielsweise auf der dem seitlichen Rand des Halbleiterkörpers zugewandten Seite der p-dotierten Basis bzw. der stark p-dotierten Zone befinden.
Des Weiteren kann die nicht-ohmsche Impedanz einen reellen, d. h. nicht-komplexen Widerstand, mit nicht linearer Strom-Spannungs-Kennlinie umfassen oder aus einem solchen Widerstand gebildet sein. Die nicht-ohmsche Impedanz und/oder eine oder mehrere der Zündstufen können bezüglich des Zündbereichs eine nicht rotationssymmetrische Gestalt aufweisen.
Die nicht-ohmsche Impedanz kann elektrisch leitend mit einem n-dotierten Emitter einer Zündstufe verbunden sein, wobei eine Zündstufen-Elektrode, die elektrisch mit diesem n-dotierten Emitter verbunden ist, nicht die p-dotierte Basis kontaktiert.
Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann der Halbleiterkörper des Thyristors von einem Gehäuse umgeben sein, während die nicht-ohmsche Impedanz zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1a einen Vertikalschnitt durch den Zentralbereich und die sich daran anschließenden Abschnitte des Hauptbereichs eines Thyristors, bei dem eine Zündstufe mittels einer nicht-ohmschen Rückkopplungsimpedanz mit einem zwischen der Zündstufe und dem Hauptbe reich angeordneten Abschnitt des Thyristors gekoppelt ist,
1b eine vergrößerte Darstellung des in 1a gekennzeichneten Abschnitts 14 des Thyristors, wobei zusätzlich Transistoren und Widerstände dargestellt sind, die den im Ersatzschaltbild gemäß 1c verwendeten Widerständen entsprechen,
1c ein Ersatzschaltbild, das die Verschaltung der ersten beiden Zündstufen des Thyristorabschnitts gemäß 1b zeigt,
1d ein Schaltbild einer nicht-ohmschen Impedanz, die einen reellen Widerstand umfasst, der eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist,
1e eine nicht-lineare Strom-Spannungs-Kennlinie des reellen Widerstandes der nicht-ohmschen Impedanz gemäß 1d,
1f ein Schaltbild einer nicht-ohmschen Impedanz, die eine Kapazität aufweist,
1g ein Schaltbild einer nicht-ohmschen Rückkopplungsimpedanz, die eine Kapazität und einen zu dieser parallel geschalteten reellen Widerstand aufweist,
1h den zeitlichen Verlauf der Ströme in der ersten und zweiten Zündstufe des Thyristors gemäß den 1a bis 1c beim Zünden des Thyristors,
1i eine vergrößerte Darstellung des in 1e gekennzeichneten Abschnitts 94 des Zündstufenstroms der ersten Zündstufe,
2a bis 2c Abschnitte aus den Zündstufenbereichen verschiedener Thyristoren, bei denen die nicht-ohmsche Impedanz an einer Zündstufe sowie an einem zwischen dieser Zündstufe und dem Hauptkathodenbereich befindlichen Anschlusspunkt des Halbleiterkörpers angeschlossen ist und bei denen zwischen dieser Zündstufe und dem Anschlusspunkt eine oder mehrere weitere Zündstufen angeordnet sind,
2d und 2e Abschnitte aus den Zündstufenbereichen verschiedener Thyristoren, bei denen die nicht-ohmsche Impedanz an zwei benachbarten Zündstufen angeschlossen ist,
2f einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines Thyristors, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz an einer Zündstufe und am n-dotierten Hauptemitter angeschlossen ist,
3a bis 3c Abschnitte aus den Zündstufenbereichen verschiedener Thyristoren, bei denen die nicht-ohmsche Impedanz an zwei Zündstufen bzw. an einer Zündstufe und dem n-dotierten Hauptemitter angeschlossen ist, wobei zwischen den Zündstufen bzw. dem Hauptemitter, an denen die nicht-ohmsche Rückkopplungsimpedanz angeschlossen ist, eine oder mehrere weitere Zündstufen angeordnet sind,
4 einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines Thyristors, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz eine Kapazität umfasst, die aus einer Metallisierung des n-dotierten Emitters der ersten Zündstufe und einer davon beabstandeten zweiten Metallisierung sowie einen zwischen den Metallisierungen angeordneten Dielektrikum gebildet ist,
5a einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines Thyristors, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz eine Kapazität umfasst, die einen im Randbereich des Thyristors angeordneten, stark p-dotierten Abschnitt der p-dotierten Basis, eine Elektrode, sowie ein zwischen der stark p-dotierten Zone und der Elektrode angeordnetes Dielektrikum umfasst, wobei die nicht-ohmsche Impedanz mittels einer auf dem Halbleiterkörper angeordneten Verbindungsleitung fest mit der ersten Zündstufe gekoppelt ist,
5b ein Ersatzschaltbild des Thyristorabschnitts gemäß 5a,
5c einen Abschnitt eines Thyristors entsprechend dem in 5b gezeigten Abschnitt mit dem Unterschied, dass die nicht-ohmsche Impedanz über eine Brücke mit der ersten Zündstufe koppelbar ist,
6a eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Ausschnitts aus dem Zentralbereich eines Thyristors mit einem Zündbereich und zwei sich daran anschließenden Zündstufen, bei entfernten Zündstufen-Elektroden,
6b eine Draufsicht auf die Vorderseite der Anordnung gemäß 6b mit zusätzlicher Darstellung der Zündstufen-Elektroden,
6c einen Vertikalschnitt durch die Anordnung gemäß 6b in einer Schnittebene E1-E1',
6d einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß den 6b und 6c in der dort jeweils dargestellten Schnittebene E2-E2',
6e ein Ersatzschaltbild des in den 6a bis 6d gezeigten Thyristorabschnitts,
7a einen Querschnitt durch einen Thyristor mit Gehäuse, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und
7b einen Querschnitt durch einen Thyristor mit Gehäuse, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
1a zeigt einen Abschnitt eines Thyristors. Dargestellt sind lediglich dessen Zentralbereich ZB sowie der Rand des sich daran anschließenden Hauptkathodenbereichs HB. Der Zentralbereich ZB umfasst einen Zündbereich Z sowie einen zwischen dem Zündbereich Z und dem Hauptkathodenbereich HB angeordneten Zündstufenbereich ZS.
Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1 mit einer Vorderseite 11 und einer der Vorderseite 11 gegenüberliegenden Rückseite 12, der aus einem Wafer, beispielsweise aus Silizium, gefertigt sein kann. Aufgrund geeigneter Dotierungsmaßnahmen weist der Halbleiterkörper 1 einen p-dotierten Emitter 8, eine n-dotierte Basis 7, eine p-dotierte Basis 6 und einen n-dotierten Emitter 5 auf, die in einer vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der p-dotierte Emitter 8 weist eine Netto-Dotierstoffkonzentration p8 und die n-dotierte Basis 7 eine Netto-Dotierstoffkonzentration n7 auf.
Die p-dotierte Basis 6 umfasst einen ersten Abschnitt 61 mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration p1, einen zweiten Abschnitt 62 mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration p2 sowie einen dritten Abschnitt 63 mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration p3 auf. Der n-dotierte Emitter 5 umfasst einen Abschnitt 50, der im Hauptkathodenbereich HB angeordnet ist und der den n-dotierten Hauptemitter 50 des Thyristors bildet. Der n-dotierte Hauptemitter 50 bestimmt den Hauptkathodenbe reich HB, d. h. der Hauptkathodenbereich HB erstreckt sich in einer zur vertikalen Richtung senkrechten lateralen Richtung r1 ebenso weit wie der Hauptemitter 50 und in der vertikalen Richtung v über das gesamte Bauelement.
Weiterhin umfasst der n-dotierte Emitter 5 Abschnitte 51, 52, 53, die jeweils zu einer der im Zündstufenbereich ZS angeordneten Zündstufen ZS1, ZS2 bzw. ZS3 gehören. Die Abschnitte 51, 52, 53 werden nachfolgend auch als Zündstufen-Emitter 51, 52, 53 der betreffenden Zündstufe ZS1, ZS2 bzw. ZS3 bezeichnet. Jede der Zündstufen ZS1, ZS2, ZS3 umfasst neben ihren Zündstufen-Emittern 51, 52 bzw. 53 den zwischen den betreffenden n-dotierten Zündstufen-Emittern 51, 52 bzw. 53 und der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1, d. h. den unterhalb des betreffenden n-dotierten Zündstufen-Emitters 51, 52 bzw. 53 angeordneten Abschnitt des Halbleiterkörpers 1.
Auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 ist eine Vorderseitenmetallisierung 4 und auf die Rückseite 12 eine Rückseitenmetallisierung 9 aufgebracht. Die Vorderseitenmetallisierung 4 umfasst einen Abschnitt 40, der die Kathoden-Elektrode 40 des Thyristors bildet und den n-dotierten Hauptemitter 5 kontaktiert und/oder elektrisch leitend mit diesem verbunden ist. Die Kathoden-Elektrode 40 ist zur äußeren Beschaltung mit einem Kathodenanschluss 2 und die Rückseitenmetallisierung 9 mit einem Anodenanschluss 3 verbunden.
Weiterhin umfasst die Vorderseitenmetallisierung 4 Abschnitte 41, 42 und 43, die die n-dotierten Emitter 51, 52 bzw. 53 kontaktieren und/oder elektrisch leitend mit diesen verbunden sind und die nachfolgend als Zündstufenelektroden 51, 52 bzw. 53 bezeichnet werden.
Der p-dotierte Emitter 8 weist optionale Öffnungen auf, in die sich säulenartige Fortsätze 79 der n-dotierten Basis 7 hinein erstrecken. Die säulenartigen Fortsätze 79 werden auch als Anodenkurzschlüsse 79 bezeichnet. Entsprechend weist der n-dotierte Emitter 5 optionale Öffnungen auf, in die sich Fortsätze 69 der p-dotierten Basis 6 hinein erstrecken. Die Fortsätze 69 werden auch als Kathodenkurzschlüsse 69 bezeichnet. Die Kathodenkurzschlüsse 69 können sich bis zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstrecken und dort optional die Kathoden-Elektrode 40 kontaktieren.
Die Zündung des Thyristors kann mittels Licht 100 erfolgen, das bei einer an die Vorderseitenmetallisierung 4 und an die Rückseitenmetallisierung 9 angelegten Vorwärtsspannung im Zündbereich Z auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 einfällt. Der Zündbereich Z ist eine Durchbruchstruktur (BOD-Struktur, BOD = Break Over Diode) dadurch gebildet, dass sich Abschnitte 71 der n-dotierten Basis 7 weiter in Richtung der Vorderseite 11 erstrecken als in den anderen Bereichen des Thyristors. Hierdurch weist der zwischen der n-dotierten Basis 7 und der p-dotierten Basis 6 ausgebildete pn-Übergang 67 Krümmungen auf, so dass die elektrischen Feldstärken dort Maximalwerte erreichen. Infolge des einfallenden Lichts 100 beginnt der Thyristor im Zündbereich Z zu zünden.
Hierdurch entsteht ein Zündstrom, der ausgehend vom Zündbereich Z in Richtung des n-dotierten Hauptemitters 50 fließt. Dabei erreicht der Zündstrom nacheinander die aufeinanderfolgend angeordneten Zündstufen ZS1, ZS2 und ZS3. Abhängig von der Empfindlichkeit der jeweiligen Zündstufe wird der Zündstrom in jeder der Zündstufen ZS1, ZS2 bzw. ZS3 verstärkt, bis er schließlich den Hauptkathodenbereich HB erreicht und den Thyristor vollständig zündet.
Der Thyristor gemäß 1a weist beispielhaft drei Zündstufen ZS1, ZS2 und ZS3 auf. Grundsätzlich ist die Zahl der Zündstufen ZS1, ZS2, ZS3 eines Thyristors jedoch beliebig. Zum Beispiel kann der Thyristor genau eine, genau zwei oder genau drei Zündstufen aufweisen.
Anders als bei der der Figurenbeschreibung vorangehenden Beschreibung und anders als in den Patentansprüchen ist die Nummerierung der Zündstufen ZS1, ZS2, ZS3 in der Figurenbeschreibung so zu verstehen, dass es sich bei der ersten Zündstufe ZS1 um die den Zündbereich Z nächstgelegene und vom Hauptkathodenbereich HB am weitesten beabstandete Zündstufe handelt. Entsprechend steht die dritte Zündstufe ZS3 exemplarisch für die vom Zündbereich Z am weitesten beabstandete und dem Hauptkathodenbereich HB nächstgelegene Zündstufe.
Um die erste Zündstufe ZS1 bei hohen Anstiegsgeschwindigkeiten des Thyristorstroms gegen Überlastungen zu schützen, ist eine nicht-ohmsche Impedanz Z_FB vorgesehen. Die Impedanz Z_FB ist einerseits an der Zündstufen-Elektrode 41 der ersten Zündstufe ZS1 angeschlossen und dadurch mit deren n-dotiertem Zündstufenemitter 51 elektrisch leitend verbunden. Andererseits ist die Impedanz Z_FB mittels einer Kontaktelektrode 49, die aus einem Abschnitt der Vorderseitenmetallisierung 4 gebildet ist, an einen zwischen der ersten Zündstufe ZS1 und dem Hauptkathodenbereich HB angeordneten Abschnitt des Halbleiterkörpers 1 angeschlossen. Der Anschlusspunkt, d. h. die Kontaktelektrode 49, ist zwischen der ersten Zündstufe ZS1. und der der ersten Zündstufe ZS1 nächstgelegenen zweiten Zündstufe ZS2 angeordnet.
Durch diese Gegenkopplung bewirkt die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB eine Strombegrenzung der ersten Zündstufe ZS1. Bei geeigneter Dimensionierung der Gegenkopplungsimpedanz Z_FB kann die Verstärkung der ersten Zündstufe ZS1 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden.
Der in 1a gekennzeichnete Abschnitt 14 des Thyristors ist in 1b vergrößert dargestellt. In dieser Querschnittsansicht sind schematisch Widerstände R1, R2 und R3 sowie Transistoren T1, T2, T4 und T5 abgebildet. Der Widerstand R1 ist der Widerstand der p-dotierten Basis 6 zwischen dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 und der Kontaktelektrode 49.
1c zeigt ein Ersatzschaltbild des die ersten beiden ersten Zündstufen ZS1 und ZS2 umfassenden Abschnitts des Thyristors gemäß 1b. Die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine lineare, frequenzunabhängige Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist.
1d zeigt beispielhaft ein Schaltbild einer nicht-ohmschen Impedanz Z_FB, die als reeller Widerstand R0, d. h. als reiner Wirkwiderstand, ausgebildet ist. Dieser reelle Widerstand R0 weist eine nicht-ohmsche, nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie auf, wie sie in 1e gezeigt ist. Hieraus ist ersichtlich, dass der elektrische Widerstand des Wirkwiderstandes R0 oberhalb eines kritischen Stromes I_C signifikant ansteigt. Der kritische Strom I_C kann zum Beispiel dem Haltestrom der ersten, dem Zündbereich Z nächstliegenden Zündstufe ZS1 (siehe die 1a und 1b) entsprechen. Durch den bei höheren Strömen deutlich erhöhten Widerstand wird ein weiterer Stromanstieg infolge der Gegenkopplung stark begrenzt.
Ein Ersatzschaltbild einer weiteren nicht-ohmschen Impedanz Z_FB zeigt 1f. Diese ist lediglich aus einer Kapazität C0 gebildet. Ebenso kann eine nicht-ohmsche Impedanz Z_FB auch durch eine Kapazität C0 und einen Widerstand R0 gegeben sein, die miteinander, beispielsweise parallel zueinander, verschaltet sind, was beispielhaft in 1g gezeigt ist. Da bei dieser Anordnung bereits aufgrund der Kapazität C0 ein Blindwiderstand vorliegt, kann es sich bei dem Widerstand R0 auch um einen ohmschen Widerstand handeln. Dies gilt in entsprechender Weise für beliebig aufgebaute nicht-lineare Impedanzen Z_FB. Entscheidend ist, dass die Impedanz im Ergebnis einen von Null verschiedenen Blindwiderstand und/oder einen nicht-linearen Wirkwiderstand aufweist. Unter dieser Maßgabe kann eine nicht-ohmsche Impedanz Z_FB aus beliebigen Schaltungskomponenten aufgebaut sein.
1h zeigt den zeitlichen Verlauf 91 des Emitter-Stromes der ersten Zündstufe ZS1 sowie den zeitlichen Verlauf 92 des Emitter-Stromes der zweiten Zündstufe ZS2 beim Einschalten des Thyristors gemäß den 1a und 1c mit einer nicht-ohmschen Rückkopplungsimpedanz Z_FB, die gemäß 1d ausgebildet ist und eine Kennlinie gemäß 1e aufweist. Eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts 94 gemäß 1h zeigt 1i.
In Verbindung mit den 1a bis 1c ist aus den 1h und 1i ersichtlich, dass die erste Zündstufe ZS1 ab einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes eine ausgeprägte Einschwingphase zeigt, nach deren Abschluss der Emitterstrom der ersten Zündstufe ZS1 auf einen quasi-stationären Wert begrenzt ist. Nach dem Zünden des Thyristors wird die Kapazität C0 bis zu einem Zeitpunkt t1 aufgeladen und entlädt sich zum Zeitpunkt t1 schnell über den Widerstand R. In der Zeit von t1 bis t2 wiederholen sich diese Umladevorgänge, bis schließlich zum Zeitpunkt t2 die Einschwingphase abgeschlossen ist und der Strom des Zündstufenemitters 51 der ersten Zündstufe ZS1 auf einen quasi-stationären Wert begrenzt ist.
Die nachfolgenden 2a bis 4 zeigen verschiedene Möglichkeiten, wie eine nicht-ohmsche Impedanz im Zündstufenbereich ZS eines Thyristors verschaltet werden kann. Dargestellt sind jeweils ein Abschnitt des Thyristors aus dem Zündstufenbereich ZS mit angrenzendem Hauptkathodenbereich HB. Im Übrigen können die Thyristoren beispielsweise gemäß dem Thyristor nach 1a ausgebildet sein.
In 2a ist die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB einerseits an der Zündstufen-Elektrode 41 der ersten Zündstufe ZS1 und andererseits an einer Kontaktelektrode 49 angeschlossen, wobei die Kontaktelektrode 49 die Vorderseite 11 zwischen der zwei ten Zündstufe ZS2 und der dritten Zündstufe ZS3 im Bereich der p-dotierten Basis 6 kontaktiert. Anders als die Zündstufen-Elektroden 42 und 43 der zweiten bzw. dritten Zündstufe ZS2 bzw. ZS3 kontaktiert die Zündstufen-Elektrode 41 der ersten Zündstufe ZS1 zwar den Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1, nicht jedoch die p-dotierte Basis 6.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b ist die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB einerseits an der Zündstufen-Elektrode 42 der zweiten Zündstufe ZS2 und andererseits an eine Kontaktelektrode 49 angeschlossen, die die Vorderseite 11 zwischen der dritten Zündstufe ZS3 und dem Hauptkathodenbereich HB kontaktiert. Anders als die Zündstufen-Elektroden 41, 43 der ersten Zündstufe ZS1 bzw. der dritten Zündstufe ZS3 kontaktiert die Zündstufen-Elekrode 42 der zweiten Zündstufe ZS2 zwar deren n-dotierte Zündstufenemitter 52, nicht jedoch die p-dotierte Basis 6.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2c entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a mit dem Unterschied, dass die Kontaktelektrode 49 nicht zwischen der zweiten Zündstufe ZS2 und der dritten Zündstufe ZS3, sondern zwischen dem Hauptkathodenbereich HB und der diesem nächstgelegenen dritten Zündstufe ZS3 die Vorderseite 11 kontaktiert.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispielen gemäß den 1a, 1b, 2a bis 2c ist die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2d und 2e zwischen den Zündstufen-Elektroden 41, 42 bzw. 42, 43 benachbarter Zündstufen angeschlossen. Dabei kontaktiert bei den Zündstufen-Elektrodenpaaren 41 und 42 bzw. 42 und 43, an die die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB angeschlossen ist, jeweils die am weitesten vom Hauptkathodenbereich HB beabstandete Zündstufen-Elektrode 41 bzw. 42 zwar den Zündstufenemitter 51 bzw. 52 der zu ihr gehörenden Zündstufe ZS1 bzw. ZS2, nicht jedoch die p-dotierte Basis 6.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2f ist die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB einerseits an der Zündstufen-Elektrode 43 der dem Hauptkathodenbereich HB nächstgelegenen dritten Zündstufe ZS3 und andererseits an der Kathoden-Elektrode 40 angeschlossen. Die Zündstufen-Elektrode 43 der dritten Zündstufe ZS3 kontaktiert dabei den dritten Zündstufenemitter 53, nicht jedoch die p-dotierte Basis 6.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3a entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 2d mit dem Unterschied, dass die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB statt an der Zündstufen-Elektrode 42 der zweiten Zündstufe ZS2 an der Zündstufen-Elektrode 43 der dem Hauptkathodenbereich HB nächstgelegenen dritten Zündstufe ZS3 angeschlossen ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3b entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b mit dem Unterschied, dass die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB statt an einer separaten Kontaktelektrode 49 an der Kathoden-Elektrode 40 angeschlossen ist. Weiterhin entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 3c dem Ausführungsbeispiel gemäß 2c mit dem Unterschied, dass die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB statt an einer separaten Kontaktelektrode 49 an der Kathoden-Elektrode 40 angeschlossen ist.
In 4 ist beispielhaft gezeigt, wie eine Kapazität einer nicht-ohmschen Impedanz Z_FB aufgebaut und in den Thyristor integriert sein kann. Die vom Hauptkathodenbereich HB am weitesten beabstandete erste Zündstufe ZS1 weist eine Zündstufen-Elektrode 41 auf, die an der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers angeordnet ist und den Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1, nicht jedoch die p-dotierte Basis 6 kontaktiert. Auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 und die Zündstufen-Elektrode 41 sind aufeinanderfolgend ein Dielektrikum 80 und eine Kondensator-Elektrode 46 aufgebracht. Die Zündstufenmetallisierung 41, das Dielektrikum 80 und die Kondensator-Elektrode 46 bilden zusammen die nicht- ohmsche Impedanz Z_FB in Form einer Kapazität. Weiterhin kontaktiert die Kondensator-Elektrode 46 die p-dotierte Basis 6 an der Vorderseite 11 zwischen der ersten Zündstufe ZS1 und dem Hauptkathodenbereich HB. Die Verschaltung der nicht-ohmschen Impedanz Z_FB entspricht der Verschaltung dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a und 1b.
Auf entsprechende Weise können Kapazitäten auch an anderen Stellen des Thyristors angeordnet sein. Die Kapazitäten können dabei eine erste Elektrode 41, ein Dielektrikum 80 und eine zweite Elektrode 46 umfassen, die aufeinanderfolgend auf dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Als erste Elektrode kann dabei eine Zündstufenelektrode 41, 42, 43, eine Kontaktelektrode 49 (siehe 2a, 2b, 2c) oder auch eine andere Elektrode verwendet werden. Die zweite Elektrode 46 kann außerdem dazu verwendet werden, einen elektrisch leitenden Kontakt zur p-dotierten Basis 6 herzustellen, insbesondere kann sie den Halbleiterkörper im Bereich der p-dotierten Basis 6 kontaktieren. Sofern es dazu erforderlich ist, dass die zweite Elektrode Leiterbahnen oder Leiterflächen des Halbleiterkörpers kreuzt, mit denen keine elektrische Verbindung hergestellt werden soll, kann das Dielektrikum 80 auch zur elektrischen Isolation zwischen einer solchen Leiterbahn bzw. Leiterfläche und der zweiten Elektrode eingesetzt werden.
Die Zündstufenelektroden 41, 42 43 sowie die Kondensatorelektrode 46 können aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall wie Aluminium, oder aus polykristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise Polysilizium, bestehen. Das Dielektrikum 80 kann z. B. aus einem Halbleiteroxid, beispielsweise Siliziumdioxid, gebildet sein.
Wie aus 5a ersichtlich ist, kann anstelle einer solchen auf dem Halbleiterkörper angeordneten ersten Kondensatorelektrode auch ein stark dotierter Abschnitt des Halbleiterkörpers eingesetzt werden. Die Abbildung zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors mit einem Hauptkathodenbereich HB, an den sich auf einer Seite ein Zündstufenbereich ZS mit lediglich einer Zündstufe ZS1 anschließt. Dem Zündstufenbereich ZS gegenüberliegend schließt sich an den Hauptkathodenbereich HB ein Randbereich RB an, der sich bis zu einem seitlichen Rand 13 des Halbleiterkörpers erstreckt.
In diesem Randbereich RB ist eine nicht-ohmsche Impedanz Z_FB angeordnet, die eine Kapazität umfasst, welche aus einer stark p-dotierten Zone 66 der p-dotierten Basis 6, einer Kondensatorelektrode 46 aus einem leitenden Material, und einem zwischen der stark p-dotierten Zone 46 und der Kondensatorelektrode 46 angeordneten Dielektrikum 80 gebildet ist. Die Kapazität ist an die Kondensatorelektrode 46 mittels einer elektrischen Verbindung 90 an der Zündstufenelektrode 41 der Zündstufe ZS1 angeschlossen. Die elektrische Verbindung 90 kann beispielsweise als Metallisierung oder als Schicht aus polykristallinem Halbleitermaterial ausgebildet und auf den Halbleiterkörper aufgebracht sein. Optional können – wie vorliegend gezeigt – die Kondensatorelektrode 46 und die elektrische Verbindung 90 einstückig ausgebildet sein und in demselben Verfahrensschritt hergestellt werden.
Alternativ zu nur einer Zündstufe ZS1 können im Zündstufenbereich noch weitere Zündstufen vorgesehen und entsprechend 1a in lateraler Richtung zwischen der ersten Zündstufe ZS1 und dem Hauptkathodenbereich HB angeordnet sein. In diesem Fall kann die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB anstatt am Zündstufenemitter 41 der ersten Zündstufe ZS1 an jedem beliebigen anderen Zündstufenemitter auf eine Weise angeschlossen sein, wie sie vorangehend anhand der Ausführungsbeispiele gemäß den 1b, 2a bis 2f, 3a bis 3c, 4 und 5 erläutert wurde.
Bei dem Thyristor gemäß 5a ist die stark p-dotierte Zone 66 zwischen dem Hauptemitter 50 und dem seitlichen Rand 13 des Halbleiterkörpers angeordnet und kann sich bis an dessen Vorderseite 11 erstrecken. Auf ihrer dem seitlichen Rand 13 zugewandten Seite ist die Kondensatorelektrode 46 elektrisch leitend mit der stark p-dotierten Zone 66 verbunden, so dass die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB (umfassend einen aus der stark p-dotierten Zone 66 und der Elektrode 46 gebildeten Kondensator C, sowie einen Widerstand R0, der aus dem unterhalb der stark p-dotierten Zone 66 befindlichen Abschnitt der p-dotierten Basis 6 gebildet ist) eine Emittergegenkopplung bewirkt. Aus dem zugehörigen Ersatzschaltbild gemäß 5b ist ersichtlich, dass sich der Kondensator C0 und der Widerstand R0 durch eine Reihenschaltung mit einer Anzahl von N RC-Gliedern R0₁/C0₁, R0₂/C0₂, ... R0_N/C0_N darstellen lässt. Die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB kann zum Beispiel einen mit zunehmendem Strom ansteigenden differentiellen Widerstand aufweisen. Hierdurch bewirkt die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB bei großen Strömen eine effiziente Gegenkopplung in der ersten Zündstufe ZS1, während sich die Gegenkopplung bei kleinen Strömen kaum bemerkbar macht. Dabei kann die Dimensionierung so erfolgen, dass der kritische Strom I_c größer ist als der Haltestrom der ersten Zündstufe ZS1.
Der Kondensator C0 wird durch den Laststrom der gezündeten ersten Zündstufe ZS1 aufgeladen. Hierdurch kommt es zu einer Anhebung des Emitterpotentials des aus dem Zündstufenemitter 51 sowie aus den darunter liegenden Abschnitten der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7 gebildeten npn-Transistors, d. h. zu einer auf die ersten Zündstufe ZS1 wirkende Gegenkopplung, da der hauptkathodenseitige Anschluss des Kondensators C0 gegenüber dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 negativ vorgespannt wird. Falls der Spannungsabfall über der Basis-Emitter-Diode des o. g. npn-Transistors der ersten Zündstufe ZS1 deren Sperrspannung erreicht, kommt es zum Lawinendurchbruch. Durch den Lawinenstrom wird der Kondensator C0 entladen, wodurch die am Kondensator C0 anliegende Spannung absinkt, bis ein stationärer Endwert erreicht wird, welcher durch den Wert des parallel zum Kondensator C0 geschalteten Widerstandes R0 eingestellt werden kann.
Optional kann man zu der Kapazität auch eine Zenerdiode parallel schalten, um den Spannungsabfall über dem Kondensator C0 und damit die Stärke der Gegenkopplung zu begrenzen. 5c zeigt einen Abschnitt eines Thyristors, der dem in 5b gezeigten Thyristorabschnitt entspricht. Im Unterschied zu diesem ist bei dem Thyristor gemäß 5c die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB mit der ersten Zündstufe koppelbar. Hierzu erstreckt sich die stark p-dotierte Zone 66 bis zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers und kontaktiert dort eine von der Elektrode 46 und von der elektrischen Verbindung 90 beabstandete Elektrode 47. Zur Kopplung der nicht-ohmschen Impedanz an die erste Zündstufe ZS1 ist eine optionale, elektrisch leitende Brücke 48 vorgesehen, die die Elektrode 47 elektrisch leitend mit der Elektrode 46 und der elektrischen Verbindung 90 verbindet. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann – abhängig von den Erfordernissen der jeweiligen Applikation – auf die Brücke 48 verzichtet werden, oder aber die Rückkopplung mittels der nicht-ohmschen Impedanz Z_FB durch das Anbringen der Brücke 48 aktiviert werden. Selbstverständlich kann eine solche Ankoppelbarkeit einer nicht-ohmschen Impedanz Z_FB durch eine optional setzbare Brücke nicht nur bei der ersten Zündstufe ZS1, sondern auch bei beliebigen anderen Zündstufen erfolgen.
Der Halbleiterkörper 1 und/oder die unterschiedlich dotierten Bereiche 5, 6, 7, 8, 50, 51, 52, 53, 66, 69, 79 des Halbleiterkörpers 1 und/oder die Elektroden 4, 9, 40, 41, 42, 43, 46 der anhand der vorangehenden Figuren beschriebenen Thyristoren können eine N-zählige Rotationssymmetrie mit ganzzahliger Zähligkeit N, insbesondere mit N gleich 2 oder mit N gleich 4, oder eine vollständige Rotationssymmetrie mit N gleich unendlich, um eine in der vertikalen Richtung v verlaufende, in 1a dargestellte Achse A-A' aufweisen. Die Anodenkurzschlüsse 79 und/oder die Kathodenkurzschlüsse 69 gemäß 1a können ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Achse A-A' angeordnet sein, jedoch eine höhere Zähligkeit N aufweisen.
Einzelne Bestandteile des Thyristors können jedoch auch von einer solchen Rotationssymmetrie abweichen. Dies ist in 6a beispielhaft in einer Draufsicht auf die Vorderseite 11 eines Ausschnitts aus dem Zentralbereich ZB eines Thyristors mit einem Zündbereich Z und zwei sich daran anschließenden Zündstufen gezeigt, wobei die Zündstufen-Elektroden nicht entfernt sind.
Um einen Zündbereich Z herum sind eine erste Zündstufe mit einem Zündstufenemitter 51 und eine zweite Zündstufe mit einem Zündstufenemitter 52 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Zündstufenemitter 51, 52 abweichend von den Zündstufenemittern 51, 52 gemäß den vorangehenden Querschnittsansichten mit einer Struktur versehen. Der Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ist zylinderförmig ausgebildet und rotationssymmetrisch um eine in der vertikalen Richtung v verlaufende Achse A-A' angeordnet. Weiterhin ist der Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ringförmig geschlossen um den Zündbereich Z, und der Zündstufenemitter 52 der zweiten Zündstufe geschlossen um den Zündbereich Z und die erste Zündstufe herum angeordnet. Der nicht dargestellte, weiter außen angeordnete Hauptemitter kann wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a zylinderförmig ausgebildet und rotationssymmetrisch um die Achse A-A' herum angeordnet sein.
Zwischen der ersten Zündstufe und der zweiten Zündstufe ist zur Ausbildung einer Kondensatorelektrode eine stark p-dotierte Zone 66 in der p-dotierten Basis 6 angeordnet. Die stark p-dotierte Zone 66 ist bezüglich der Achse A-A' unsymmetrisch ausgebildet und kann sich bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstrecken. Auf die Vorderseite 11 ist oberhalb der stark p-dotierten Zone 66 ein Dielektrikum 80 aufgebracht, das teilweise aufgebrochen dargestellt ist, so dass auch die stark p-dotierte Zone 66 erkennbar ist. Das Dielektrikum 80 erstreckt sich von der stark p-dotierten Zone 66 bis über den ersten Zündstufenemitter 51. Allerdings über deckt es den ersten Zündstufenemitter 51 nicht vollständig, so dass eine auf diese Anordnung vorderseitig aufgebrachte Elektrode den ersten Zündstufenemitter 51 noch kontaktieren kann.
Der zweite Zündstufenemitter 52 ist von säulenartigen Fortsetzen 68 der p-dotierten Basis 6 durchbrochen. Diese Fortsetze 68 kontaktieren beim fertig prozessierten Thyristor eine auf die vorliegende Anordnung vorderseitig noch aufzubringende Zündstufenelektrode der zweiten Zündstufe.
Weiterhin weist das Dielektrikum 80 Öffnungen 81 auf, in die sich Fortsetze einer ebenfalls später noch auf die Vorderseite 11 aufzubringenden Kondensatorelektrode hinein erstrecken und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Zündstufenelektrode und der stark p-dotierten Zone 66 herstellen und hierdurch die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB über die Kondensator-Elektrode 46 am Zündstufen-Emitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 anzuschließen.
Die p-dotierte Basis 6 weist in dem zwischen den Zündstufenemittern 51, 52 befindlichen Bereich einen elektrischen Widerstand auf. Dieser Widerstand umfasst Teilwiderstände R10, R11 und R12. Der Teilwiderstand R10 setzt sich wiederum aus zueinander parallel geschalteten Teilwiderständen R10', der Teilwiderstand R12 aus zueinander parallel geschalteten Teilwiderständen R12' zusammen, weshalb die Teilwiderstände R10 und R12 in 6a nicht als solche bezeichnet sind.
6b zeigt die Anordnung gemäß 6a, wobei zusätzlich auf die Vorderseite 11 Zündstufenelektroden 41, 42 der ersten bzw. zweiten Zündstufe sowie eine Kondensatorelektrode 46 aufgebracht sind, wobei die Zündstufenelektrode der 41 der ersten Zündstufe und die Kondensatorelektrode 46 einstückig ausgebildet sind. Die Zündstufenelektrode 42 der zweiten Zündstufe kontaktiert den Zündstufenemitter 52 der zweiten Zündstufe, sowie die p-dotierte Basis 6 auf der dem Zündbe reich abgewandten Seite des Zündstufenemitters 52 der zweiten Zündstufe.
Außerdem kontaktiert die Zündstufenelektrode 41 der ersten Zündstufe den Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe. Eine elektrische Verbindung der Zündstufenelektrode 41 mit der p-dotierten Basis 6 existiert lediglich im Bereich der in 6a dargestellten, in 6b jedoch nicht erkennbaren Öffnungen 81 des Dielektrikums 80.
Abgesehen von der ersten und zweiten Zündstufe mit ihren Zündstufenelektroden 41, 42, dem Dielektrikum 80 und der stark p-dotierten Zone 66 kann der Thyristor ebenso rotationssymmetrisch um die Achse A-A' ausgebildet sein wie voranstehend erläutert. Weiterhin kann der Thyristor wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6b spiegelsymmetrisch zu einer in der vertikalen Richtung v verlaufenden Ebene E1-E1' ausgebildet sein.
6c zeigt einen Vertikalschnitt durch diese Symmetrieebene E1-E1'. In dieser Ansicht sind insbesondere die Öffnungen 81 im Dielektrikum 80 zu erkennen, in die sich Fortsätze der Kondensatorelektrode 46 der ersten Zündstufe hinein erstrecken und die p-dotierte Basis 6 im Bereich der stark p-dotierten Zone 66 kontaktieren. Außerdem sind die säulenartigen Fortsätze 68 der p-dotierten Basis 6 zu erkennen, die den Zündstufenemitter 52 der zweiten Zündstufe ZS2 durchdringen und eine elektrische Verbindung zur Zündstufenelektrode 42 der zweiten Zündstufe ZS2 herstellen. Im Zündbereich Z weist der Thyristor eine BOD-Struktur auf, die wie die BOD-Struktur gemäß 1a ausgebildet ist.
Wegen des unsymmetrischen Aufbaus der Zündstufen ZS1 und ZS2 ist auch der Widerstand des zwischen diesen Zündstufen angeordneten Abschnittes der p-dotierten Basis 6 bezüglich der Achse A-A' unsymmetrisch. Die p-dotierte Basis 6 weist stark p-dotierte Abschnitte 61, 62, 63 und 64 mit Dotierungen p1, p2, p3 bzw. p4 auf. Zumindest einer der Abschnitte 61, 62, 63 und 64 ist nicht rotationssymmetrisch um die Achse A-A' herum angeordnet. Die Dotierungen p1 des Abschnitts 61 und p2 des Abschnitts 62 können identisch, aber auch verschieden voneinander gewählt werden.
Der Widerstand R13 gibt den elektrischen Gesamtwiderstand des in der vertikalen Richtung v zwischen dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 und der n-dotierten Basis 7 angeordneten vierten Abschnittes 64 der p-dotierten Basis 6 wieder. Entsprechend gibt der Widerstand R14 den elektrischen Gesamtwiderstand des in der vertikalen Richtung v zwischen dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 und der n-dotierten Basis angeordneten zweiten Abschnittes 62 der p-dotierten Basis 6 wieder. Der Widerstand R13 kann beispielsweise größer oder gleich dem Widerstand R14 sein.
Hierbei wirkt der Löcherstrom aus dem Zündbereich Z als Steuerstrom für die erste Zündstufe ZS1. Demgegenüber lädt der Elektronenstrom aus dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 die Kapazität der nicht-ohmschen Impedanz Z_FB, d. h. den aus der stark p-dotierten Zone 66, dem Dielektrikum 80 und der Kondensatorelektrode 46 gebildeten Kondensator und steuert damit die zweite Zündstufe ZS2 an.
Bei geladenem Kondensator ist die effektive Stromverstärkung β des npn-Transistors, der aus dem Zündstufenemitter 51 der ersten Zündstufe ZS1 sowie den in der vertikalen Richtung v unterhalb des Zündstufenemitters 51 gebildeten Abschnitte der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7 besteht, durch den Gegenkopplungswiderstand R0 mit den Teilwiderständen R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16 und R17 auf einen Wert von ca. 0,5 eingestellt. Generell kann für die effektive Stromverstärkung β ein Wert von kleiner als beispielsweise 2, z. B. von 0,3 bis 1, gewählt werden. Die effektive Dicke d0 der p-dotierten Basis 6 unterhalb des Zündstufenemitters 51 im Bereich des Widerstandes R13 kann beispielsweise nur weni ge μm betragen und dort eine Dotierstoffkonzentration N_A von weniger als 10¹³ cm^–3 aufweisen.
6d zeigt einen Vertikalschnitt durch den Thyristorabschitt gemäß den 6a, 6b und 6c in einer Schnittebene E2-E2' gemäß den 6b und 6c. Weiterhin zeigt 6e ein Ersatzschaltbild dieses Thyristorabschnittes.
In den 1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 3a, 3b und 3c ist die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB lediglich als Schaltsymbol dargestellt. Das soll zum Ausdruck bringen, dass die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB bei den verschiedenen in diesen Figuren gezeigten Beschaltungsmöglichkeiten grundsätzlich beliebig angeordnet sein kann. So kann die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB bei allen erfindungsgemäßen Thyristoren, wie beispielsweise in 7a gezeigt ist, innerhalb eines Gehäuses 10 angebracht sein, das den Halbleiterkörper 1 und die darauf aufgebrachten Elektroden und Dielektrika umgibt. Alternativ dazu besteht selbstverständlich auch die beispielhaft in 7b gezeigte Möglichkeit, die nicht-ohmsche Impedanz Z_FB oder einzelne Komponenten hiervon, wie z. B. Widerstände oder Kondensatoren, außerhalb des Thyristors, d. h. außerhalb eines Gehäuses 10 anzuordnen. Dabei können die Anschlusspunkte 41, 43 solcher externer Komponenten Z_FB am Halbleiterkörper mittels elektrischer Verbindungsleitungen 95, 96 mit Außenanschlüssen 97, 98 eines des Thyristorgehäuses 10 verbunden werden. Solche Anschlusspunkte 41, 43 können insbesondere durch die zu beschaltenden Zündstufenelektroden 41, 42, 43, durch die Kathodenelektrode 40 oder durch Kontaktelektroden 49 gegeben sein, wie sie in sämtlichen der Ausführungsbeispiele gezeigt wurden.
In den vorangehenden Beispielen wurden nicht-ohmsche Impedanzen mit einem oder mehreren Kapazitäten und einem oder mehreren Widerständen erläutert. Eine nicht-ohmsche Impedanz kann jedoch anstatt oder zusätzlich zu einer Kapazität auch eine oder mehrere Induktivitäten aufweisen. Eine auf einer solchen Induktivität beruhende Gegenkopplung zeigt jedoch nur dann eine signifikante Wirkung, wenn der Emitterstrom zeitlich variiert, d. h. bei hohen dI/dt-Belastungen des Thyristors.
Die zu einer nicht-ohmschen Impedanz Z_FB gehörenden Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten können – unabhängig voneinander – in den Halbleiterkörper des Thyristors integriert sein oder auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden.

Claims

Thyristor mit einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer lateralen Richtung (r1, r2) zwischen einem Zündbereich (Z) und einem seitlichen Rand (13) des Halbleiterkörpers (13) ausgehend von dem Zündbereich (Z) ein Zündstufenbereich (ZS) mit einer ersten Zündstufe (ZS1, ZS2, ZS3) und ein Hauptkathodenbereich (HB) angeordnet sind, wobei die erste Zündstufe (ZS1, ZS2, ZS3) mittels einer nicht-ohmschen Impedanz (Z_FB) mit einer nachfolgenden Zündstufe (ZS2, ZS3) und/oder mit dem Hauptkathodenbereich (HB) elektrisch gekoppelt ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) in der lateralen Richtung (r1, r2) zwischen zwei aufeinander folgenden Zündstufen (ZS1, ZS2; ZS2, ZS3) am Halbleiterkörper (13) angeschlossen ist.
Thyristor nach Anspruch 2, bei dem die erste Zündstufe (ZS1, ZS2) die dem Zündbereich (Z) nächstgelegene Zündstufe ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) in der lateralen Richtung (r1, r2) zwischen dem Hauptkathodenbereich (HB) und einer dem Hauptkathodenbereich (HB) nächstgelegenen Zündstufe (ZS3) am Halbleiterkörper (13) angeschlossen ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) an eine der nachfolgenden Zündstufen (ZS2, ZS3) angeschlossen ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) an einen im Hauptkathodenbereich (HB) angeordneten, n-dotierten Hauptemitter (50) angeschlossen ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) eine Kapazität (C0, 46, 66, 80) umfasst.
Thyristor nach Anspruch 7, bei dem die Kapazität (C0, 46, 66, 80) mehr als 0,5 nF beträgt.
Thyristor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die Kapazität (C0, 46, 66, 80) zwischen dem Hauptkathodenbereich (HB) und dem seitlichen Rand (13) des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Kapazität (C0, 46, 66, 80) eine stark p-dotierte Zone (66) umfasst, die in einer im Halbleiterkörper (1) ausgebildeten p-dotierte Basis (6) des Thyristors angeordnet ist.
Thyristor nach Anspruch 10, bei dem die stark p-dotierte Zone (66) in der lateralen Richtung (r1, r2) zwischen zwei Zündstufen (ZS1, ZS2) angeordnet ist.
Thyristor nach Anspruch 11, bei dem die stark p-dotierte Zone (66) in der lateralen Richtung (r1, r2) zwischen zwei benachbarten Zündstufen (ZS1, ZS2) angeordnet ist.
Thyristor nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die stark p-dotierte Zone (66) zwischen der am weitesten vom Hauptkathodenbereich (HB) beabstandeten Zündstufe (ZS1) und der dieser nächstgelegenen Zündstufe (ZS2) angeordnet ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die Kapazität (C0, 46, 66, 80) eine auf dem Halbleiterkörper (1) angeordnete Kondensator-Elektrode (46) umfasst.
Thyristor nach Anspruch 14, bei dem zwischen der stark p-dotierten Zone (66) und der Kondensator-Elektrode (46) ein Dielektrikum (80) angeordnet ist.
Thyristor nach Anspruch 15, bei dem das Dielektrikum (80) wenigstens eine Öffnung (81) aufweist, in die sich ein Fortsatz der Kondensator-Elektrode (46) hinein erstreckt und eine elektrisch leitende Verbindung zu der stark p-dotierten Zone (66) herstellt.
Thyristor nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die Kondensator-Elektrode (46) die p-dotierte Basis (6) und/oder die stark p-dotierte Zone (66) kontaktiert.
Thyristor nach Anspruch 17, bei dem die Kondensator-Elektrode (46) die p-dotierte Basis (6) und/oder die stark p-dotierte Zone (66). auf deren dem seitlichen Rand (13) zugewandter Seite kontaktiert.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) einen reellen Widerstand mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Kennlinie umfasst oder aus einem solchen Widerstand gebildet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) bezüglich des Zündbereichs (Z) keine Rotationssymmetrie aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Zündstufe (ZS2) bezüglich des Zündbereichs (Z) keine Rotationssymmetrie aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) elektrisch leitend mit einem n-dotierten Emitter (51, 52, 53) einer Zündstufe (ZS1, ZS2, ZS3) verbunden ist, wobei eine Zündstufen-Elektrode (41, 42, 43) diesen n-dotierten Emitter (51, 52, 53), nicht jedoch eine p-dotierte Basis (6) des Thyristors kontaktiert.
Schaltungsanordnung mit einem Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper (1) von einem Gehäuse (10) umgeben ist und bei dem die nicht-ohmsche Impedanz (Z_FB) zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (10) angeordnet ist.