DE1539694C

DE1539694C - Thyristor with four zones of alternating conductivity type

Info

Publication number: DE1539694C
Authority: DE
Inventors: Elmar Dipl.-Ing. 6508 Alzey; Weimann Klaus Dipl.-Ing. 6804 Lampertheim Müller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Publication date: 1971-11-25

Description

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Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit vier klein sein gegenüber dem Sperrschichtwiderstand Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und min- der Flächendiode. Dabei ist bei Strömen in der destens einer Steuerelektrode, wobei die unter der Größenordnung des Zündstromes der Sperrschicht-Emitterzone liegende Zone die Emitterzone bis zu widerstand größer als der öhmsche Widerstand. Der deren Oberfläche punktförmig durchdringt und diese 5 Sperrschichtwiderstand und der Eigenwiderstand Oberfläche unter Aussparung eines Bereiches um die des Kurzschlußweges liegen fest. In Grenzen variabel Steuerelektrode mit einer ersten Metallschicht ver- ist also nur der Bahnwiderstand durch Veränderung sehen ist. des Abstandes zwischen Steuerelektrode und Emitter-The invention relates to a thyristor with four to be small compared to the junction resistance Zones of alternating conductivity type and less flat diode. It is in the case of currents at least one control electrode, which is below the order of magnitude of the ignition current of the junction emitter zone lying zone the emitter zone up to resistance greater than the ohmic resistance. the whose surface penetrates punctiformly and this 5 barrier resistance and the intrinsic resistance Surface with the recess of an area around that of the short-circuit path are fixed. Variable within limits Control electrode with a first metal layer is therefore only the track resistance through change see is. the distance between the control electrode and the emitter

Es ist bereits ein Thyristor bekanntgeworden, bei zone.A thyristor has already become known at zone.

dem die Metallschicht auf der einen äußeren Zone io Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu-which the metal layer on the one outer zone io The invention is therefore the task of

sich nicht bis in den Nachbarbereich der Steuerelek- gründe, einen Thyristor mit Querfeldemitter unddoes not extend into the neighboring area of the control electronics, a thyristor with cross-field emitter and

trode erstreckt. Durch diese Maßnahme — auch kurzgeschlossenem Emitter-pn-Übergang so auszu-trode extends. With this measure - also short-circuited emitter-pn-junction can be eliminated

Querfeldemitter-Ausbildung genannt — erzeugt der bilden, daß er für sehr hohe Spannungsanstiegs-Cross field emitter training called - the form that it generates for very high voltage rise

Hauptstrom in dem nicht kontaktierten Teil der geschwindigkeiten ohne Durchzünden brauchbar ist. äußeren Zone einen Spannungsabfall, der eine 15 Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, "bestehtMain current in the uncontacted part of the speeds without igniting is usable. outer zone has a voltage drop that is a 15 The invention that solves this problem, "there is

größere Zündausbreitungsgeschwindigkeit verursacht. darin, daß die innerhalb des ausgesparten Bereichescauses greater ignition propagation speed. in that those within the recessed area

Der Thyristor kann so höheren Stromanstiegs- liegenden punktförmigen Durchdringungen, durchIn this way, the thyristor can pass through punctiform penetrations

geschwindigkeiten ohne Zerstörung standhalten. Da- zungenförmige Metallstreifen oder eine in ihrerwithstand speeds without destruction. Tongue-shaped metal strips or one in theirs

mit der Spannungsabfall in der nicht kontaktierten Schichtdicke verminderte zweite Metallschicht mitwith the voltage drop in the non-contacted layer thickness, the second metal layer is also reduced

äußeren Zone — der Emitterzone — eine genügende 20 der ersten Metallschicht leitend verbunden sind. Größe erreicht, darf die Breite der nicht kon- Der Vorteil des Thyristors nach der Erfindungouter zone - the emitter zone - a sufficient 20 of the first metal layer are conductively connected. Reached size, the width of the con- The advantage of the thyristor according to the invention

taktierten Emitterfläche neben der Steuerelektrode liegt darin, daß sehr viel höhere Spannungsanstiegs- /pulsed emitter surface next to the control electrode is that much higher voltage rise /

einen bestimmten Betrag nicht unterschreiten (»Zeit- geschwindigkeiten Anwendung finden können alsDo not fall below a certain amount (»Time speeds can be used as

schrift für angewandte Physik«, Bd. 19 [1965], S. 396 bei einem Thyristor mit bekanntem Querfeldemitter,script for applied physics ", Vol. 19 [1965], p. 396 for a thyristor with a known cross-field emitter,

bis 400). 25 Dabei sind die die Kurzschlußwege verbindenden,up to 400). 25 The short-circuit paths connecting the

Ferner sind Thyristoren bekannt, bei denen die schmalen zungenförmigen Metallstreifen nur einFurthermore, thyristors are known in which the narrow tongue-shaped metal strips only one

unter der Emitterzone liegende Schicht die Emitter- weniger breiter als der Durchmesser der einzelnenLayer lying under the emitter zone the emitter is less wider than the diameter of the individual

zone bis zu deren mit einer Metallschicht versehenen kurzschließenden Durchdringungen selbst, so daßzone up to their metal-coated short-circuited penetrations themselves, so that

Oberfläche punktförmig durchdringt. Ein solcher die nichtkontaktierte, ringförmige Fläche um diePenetrates the surface in a punctiform manner. Such the non-contacted, annular area around the

Thyristor zeigt ein stabiles Temperaturverhalten, da 30 Steuerelektrode nur um die Fläche der schmalenThyristor shows a stable temperature behavior, since 30 control electrode only around the area of the narrow

die mit steigender Temperatur zunehmenden Sperr- _. . , . , _. ■ ... dz/ _v ,the locking _ which increases with increasing temperature. . ,. , _. ■ ... dz / _v ,

ströme über die Metallschicht abfließen und nicht zu ^Ste8^e vermindert wird. Eine schnelle ^-Änderungcurrents flow off over the metal layer and are not reduced ^{to Ste} 8 ^e. A quick ^ change

vorzeitiger Zündung führen können. der Spannung in Durchlaßrichtung bringt den Thy-can lead to premature ignition. the voltage in the forward direction brings the Thy-

Ebenso sind sie für größere Spannungsanstiegs- ristor nicht zum Zünden, da auch die der Steuerelek-They are also not to be ignited for larger voltage rise resistors, since those of the control elec-

geschwindigkeiten geeignet, ohne daß es dabei zu 35 trode am nächsten liegenden Kurzschlußwege denspeeds are suitable without the need for the closest short-circuit paths

einem unerwünschten Durchzünden kommt (deutsche Flächenstrom abführen können. Andererseits fälltan undesired ignition occurs (German surface current can dissipate. On the other hand, falls

Auslegeschrift 1154 872). die Fläche der schmalen, zungenförmigen Metall-Interpretation document 1154 872). the surface of the narrow, tongue-shaped metal

Wird an einen Thyristor eine in Durchlaßrichtung streifen, deren Widerstand ja geringer ist als der derWill touch a thyristor in the forward direction, the resistance of which is less than that of the

gepolte, sich sehr schnell ändernde Spannung gelegt, nichtkontaktierten Fläche, bei Anlegen eines Zünd-polarized, very rapidly changing voltage applied, non-contact surface, when applying an ignition

so kann dieses durch Injizieren eines kapazitiven 40 impulses zum Aufbau des notwendigen Spannungs- -this can be done by injecting a capacitive 40 pulse to build up the necessary voltage -

Sperrstromes durchzünden: Diese Art der.Zündung ; abfalles nicht ins Gewicht. ' will man aber gerade unterdrücken und strebt des- Nach einer der beiden Ausführungsformen derIgnite reverse current: This type of ignition; waste does not matter. ' but one wants to suppress and therefore strives for one of the two embodiments of the

halb eine sehr hohe -J"-Festigkeit an. ' Erfindung sind die der Steuerelektrode am nächsten ₍ half a very high -J "strength. 'Invention, those of the control electrode are closest ₍

at. ° liegenden Perfonerungen der Emitterzone durch eine Vr at. ° lying perforations of the emitter zone by a Vr

Zur Erklärung des Zündvorganges können die 45 gegenüber der ersten Metallschicht dünnere zweiteTo explain the ignition process, the 45 can be thinner than the first metal layer, the second

Emitterzone und die sich an diese anschließende Metallschicht mit der ersten Metallschicht auf derEmitter zone and the metal layer adjoining this with the first metal layer on the

p-Basiszone im Ersatzschaltbild als Flächendiode Emitterzone verbunden. Durch die Verbindung bei-p-base zone connected as a flat diode emitter zone in the equivalent circuit diagram. By connecting both

mit zwei unter sich in Reihe, aber parallel zur der Metallschichten ist also der Kurzschluß der nahewith two in series, but parallel to the metal layers, the short-circuit is the closest

Flächendiode liegenden Widerständen R₁ und R₂ auf- der Steuerelektrode befindlichen DurchdringungenFlat diode resistors R ₁ and R ₂ on the control electrode located penetrations

gefaßt werden. Der Widerstand R₁ bedeutet dabei 50 gegeben.to get nabbed. The resistance R ₁ means 50 given.

den Eigenwiderstand des Kurzschlußweges, der Die Dicke der ersten Metallschicht beträgt nurthe intrinsic resistance of the short-circuit path, the thickness of the first metal layer is only

Widerstand R₂ den Bahnwiderstand zwischen Steuer- wenige μ, ζ. B. bis zu 5 μ, damit der BahnwiderstandResistance R ₂ the rail resistance between control a few μ, ζ. B. up to 5 μ, so that the rail resistance

elektrode und Emitterzone. Dieser Widerstand ist nicht zu klein und der Zündspannungsabfall zuelectrode and emitter zone. This resistance is not too small and the ignition voltage drop too

also durch Variierung des Abstandes der Steuerelek- gering wird.thus, by varying the distance between the control elements, it becomes small.

trode von der η-leitenden Emitterzone in Grenzen 55 Es wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug geveränderbar. Eine Betrachtung dieses Ersatzschalt- nommen, in der Ausführungsbeispiele des Thyristors bildes zeigt sogleich die sich widersprechenden For- nach der Erfindung dargestellt sind. Gleiche Teile derungen. Die Stromverteilung auf die Parallelwege wurden mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigt ist durch die Reihenschaltung der beiden Wider- Fig. 1 einen Thyristor im Schnitt, bei dem die in j stände festgelegt. Beim Zünden nun soll möglichst 60 der Nähe der Steuerelektrode liegenden Perforie- ' ein großer Strom über die Flächendiode fließen, die rungen durch zungenförmige Metallstreifen mit der ; Summe von R₁ und R₂ also möglichst groß sein. Soll ersten Metallschicht auf der Emitterzone verbundentrode from the η-conducting emitter zone within limits 55. Reference to the drawing can now be changed. A consideration of this equivalent circuit, in which exemplary embodiments of the thyristor image, shows the contradicting formulas according to the invention. Same parts changes. The power distribution on the parallel paths has been given the same reference numbers. It shows is through the series connection of the two resistors Fig. 1 a thyristor in section, in which the in j were set. When igniting, a large current should flow as close as possible to the control electrode perforation through the flat diode, the stanchions through tongue-shaped metal strips with the; The sum of R ₁ and R _{2 must} therefore be as large as possible. Should first metal layer connected on the emitter zone

dagegen eine große ,"-Festigkeit erzielt werden, so ^su~'. ₁ . „. , .' , „, . , ,however, a large "- strength can be achieved, so ^su ~ ',.. _1.".' , ",.,,

^& ^b ° at ^b . Fig. la eine Draufsicht des Thyristors nach der ^& ^b ° at ^b . Fig. La is a plan view of the thyristor according to the

muß möglichst viel des injizierten Stromes über den 65 Fig. 1,must as much of the injected current as possible via the 65 Fig. 1,

Kurzschlußweg, also über die Reihenschaltung R₁ Fig. 2 einen Thyristor im Schnitt, bei dem die inShort-circuit path, ie via the series circuit R ₁ Fig. 2, a thyristor in section, in which the in

und R₂ abfließen, damit es nicht zur Zündung kommt. der Nähe der Steuerelektrode befindlichen Perforie-and R ₂ flow off so that it does not ignite. perforation located near the control electrode

Dje. Summe von R₁ und R₂ soll also in diesem Falle rungen durch eine zweite Metallschicht geringerer ;;'Dy. In this case, the sum of R ₁ and R ₂ should be reduced by a second metal layer ;; '

Schichtdicke mit der ersten Metallschicht auf der Emitterzone verbunden sind,Layer thickness are connected to the first metal layer on the emitter zone,

F i g. 2 a eine Draufsicht des Thyristors nach der Fig. 2.F i g. 2 a is a plan view of the thyristor according to FIG. 2.

Der Thyristor nach der F i g. 1 hat vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, die eine äußere Zone — die Emitterzone 1 — mit n-Leitfähigkeit, die benachbarte innere Zone — die Basiszone 2 — mit p-Leitfähigkeit, eine weitere Basiszone 3 mit η-Leitfähigkeit und die andere äußere Zone — die Kollektorzone 4 — mit p-Leitfähigkeit zur benachbarten Basiszone 3 hin und ρ+-Leitfähigkeit im Außenteil 4 a. Die erste Metallschicht 6 auf der Emitterzone 1 ist gegenüber der Steuerelektrode 5 zurückversetzt. Mit dieser Maßnahme ist der Querfeldemitter verwirklicht. Die sich in der Nähe der Steuerelektrode befindende Perforierung 2 α ist durch einen zungenförmigen Metallstreifen 6 a mit der ersten Metallschicht 6 auf der Emitterzone 1 verbunden. Dies wird insbesondere in der Draufsicht nach der F i g. 1 a deutlich.The thyristor according to FIG. 1 has four zones of alternating conductivity type, the one outer zone - the emitter zone 1 - with n-conductivity, the adjacent inner zone - the base zone 2 - with p-conductivity, another base zone 3 with η-conductivity and the other outer zone - the Collector zone 4 - with p-conductivity to the neighboring base zone 3 and ρ + -conductivity in the outer part 4 a. The first metal layer 6 on the emitter zone 1 is set back with respect to the control electrode 5. With this measure, the cross-field emitter is realized. Which exploiting Dende in the vicinity of the control electrode 2 perforation α is connected by a tongue-shaped metal strip 6 a to the first metal layer 6 on the emitter region. 1 This is particularly evident in the plan view according to FIG. 1 a clearly.

"Die F i g. 2 zeigt einen Thyristor, der sich von dem der F i g. 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Perforierungen 2 α in der Nähe der Steuerelektrode 5 durch eine zweite Metallschicht 6 b bedeckt und durch diese mit der ersten Metallschicht 6 auf der Emitterzone 1 verbunden sind."The F i g. 2 shows a thyristor of which the F i g themselves. 1 substantially differs in that the perforations 2 α near the control electrode 5b through a second metal layer 6 covers and by these first with the Metal layer 6 on the emitter zone 1 are connected.

Die Dicke der ersten Metallschicht 6 ist unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstandes des verwendeten Materials so bemessen, daß einerseits die von ihr bedeckten Durchdringungen 2 α der Basiszone mit den benachbarten Bereichen der Emitterzone 1 kurzgeschlossen sind und andererseits die Abbildung eines für eine hohe Zündausbreitungsgeschwindigkeit ausreichenden Spannungsabfalles in dem von ihr bedeckten Bereich der Emitterzone 1 nicht gestört ist.The thickness of the first metal layer 6, taking into account the specific resistance of the material used, is dimensioned such that on the one hand the penetrations 2 α of the base zone covered by it are short-circuited with the adjacent areas of the emitter zone 1 and on the other hand the mapping of a voltage drop sufficient for a high ignition propagation speed in the area of the emitter zone 1 covered by it is not disturbed.

In der Fig. 2a ist die zweite Metallschicht 6b durch eine andere Schraffur gegenüber der ersten Metallschicht 6 hervorgehoben.In FIG. 2 a, the second metal layer 6 b is emphasized by a different hatching compared to the first metal layer 6.

Claims

Patent claims:

1. Thyristor with four zones of alternating conductivity type and with at least one control electrode, the zone below the emitter zone penetrating the emitter zone punctiformly up to its surface and this surface is provided with a first metal layer, with an area around the control electrode being cut out, characterized in that the punctiform penetrations (2 a) lying within the recessed area are conductively connected to the first metal layer (6) by tongue-shaped metal strips (6 a) or a second metal layer (6 b) of reduced thickness.

2. Thyristor according to claim 1, characterized in that the reduced thickness of the second metal layer (6 b) surrounds the control electrode (5) in a circle and does not completely cover the recessed area up to the control electrode (5).

1 sheet of drawings