DE1564040C

DE1564040C - Thyristor

Info

Publication number: DE1564040C
Application number: DE19661564040
Authority: DE
Inventors: Angelo Louis de Newtown Square Piccone Dante Edmond Phila delphia Somos Istvan Drexel Hill Pa Cecco (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-10-20
Publication date: 1973-06-28

Description

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sich der maximal zulässige Ä-A-Wert eines Thyristors Diese Aufgabe wird bei einem Thyristor der eingangs mit steigender Vorwärtsspannung. Bei hohen Schalt- erwähnten Art, der nach der erwähnten Hauptpatentfrequenzen (beispielsweise oberhalb 400 Einschalt- anmeldung 1489 931 weitergebildet ist, dadurch Ausschalt-Zyklen pro Sekunde) verschlechtert sich gelöst, daß an das Nebengebiet ein ebenfalls einen Teil diese Einschalteigenschaft infolge kumulativer ort- 5 der Endschicht bildendes Randgebiet angrenzt, das licher Überhitzungen noch mehr. zwischen dem Nebengebiet und der Steuerelektrode Die örtliche Überhitzung begrenzt die noch sicheren liegt, dessen an das Nebengebiet grenzender Rand von di-dt-Werte eines solchen Thyristors ohne Neben- dem an das Nebengebiet grenzenden Rand des Hauptgebiet in der einen Endschicht auch dann, wenn dieser gebiets einen konstanten Abstand aufweist, und das in Vorwärtsrichtung durch Lawinendurchbrüche ein- io mit einem Belag aus elektrisch leitendem Material geschaltet werden soll. Beim Betrieb eines solchen versehen ist, der von der das Hauptgebiet kontaktie-Thyristors auf diese Weise wird der Thyristor bekannt- renden Hauptelektrode getrennt ist.
lieh auch dann eingeschaltet, wenn die Vorwärts- Das Randgebiet ist derart ausgebildet und angespannung zwischen Anode und Kathode größer als ordnet, daß beim Einschalten des Thyristors über die die Durchbruchsspannung Vbo ist und kein Steuer- 15 Steuerelektrode der Laststrom anfänglich dieses Randsignal zugeführt wird. Werden solche Thyristoren in gebiet durchsetzt und zu einem erheblichen Teil sofort dieser Weise mit einem zu hohen di-dt-Wert betrieben, auf einen hierzu parallelen Weg durch die angrenzende dann versagen sie an einer Stelle, die entweder in der Zwischenschicht und durch den PN-Übergang zwischen Mitte oder am Rand des Halbleiterkörpers liegt. der angrenzenden Zwischenschicht und dem Haupt-Wenn ein Thyristor jeweils nur verhältnismäßig 20 gebiet der Endschicht abgelenkt wird. Der abgelenkte kurzzeitig Vorwärtsströme führen soll, wie z. B. bei Teil des Laststroms fließt am Randgebiet vorbei und HF-Wechselrichtern, dann kann die Größe des beim dient als relativ hochamperiges Einschaltsignal für Einschaltvorgang auftretenden di-dt-Wertes die Aus- den Teil des Halbleiterscheibchens, der unterhalb der Schalteigenschaften des Thyristors nachteilig beein- Kontaktfläche der Hauptelektrode liegt. Hierdurch flüssen. In diesem Fall hat die überhitzte Stelle nicht 25 wird schnell eine stufenförmige Übertragung des Lastgenügend Zeit, sich vor Einsetzen des Ausschalt- Stroms vom ursprünglich gezündeten punktförmigen Vorganges abzukühlen, und die erhöhte Temperatur Bereich neben der Steuerelektrode zu einem relativ trägt dazu bei, daß der Thyristor an dieser Stelle durch- breiten Bereich des Halbleiterscheibchens neben dem schlägt. Bei kurzzeitigen hohen Vorwärtsströmen Randgebiet der Endschicht ausgelöst, bevor der (beispielsweise Stromimpulsen von 100 Mikrosekunden 30 Laststrom eine zerstörende Höhe erreicht haben kann. Dauer und 300 Ampere Stärke) ist die Ausschaltzeit Nach dieser zweiten Einschaltstufe muß nur wenig bei den bekannten Thyristoren ohne Nebengebiet in Wärmeenergie abgeleitet werden und es steht eine der einen Endschicht eine direkte Funktion des relativ große Fläche zum Ableiten zur Verfügung, di-dt-Wertes beim Einschalten. Bisherige Bemühungen, ohne daß eine lokale Überhitzung auftritt. Infolgedie di-dt-Werte der bekannten Thyristoren ohne 35 dessen kann der Laststrom sicher und abrupt ansteigen Nebengebiet in der einen Endschicht zu erhöhen, und sich über die gesamte Fläche des Hauptgebiets haben häufig dazu geführt, daß die minimalen Aus- ausdehnen. Da während dieses zweistufigen Einschaltschaltzeiten in unerwünschter Weise verlängert worden Vorgangs keine überhitzten Stellen gebildet werden, sind. wird das anschließende Abschalten des ThyristorsThe maximum permissible λ-A value of a thyristor This task becomes the input with a thyristor with increasing forward voltage. In the case of high switching-mentioned type, which is further developed according to the main patent frequencies mentioned (for example above 400 switch-on registration 1489 931, thereby switch-off cycles per second), the fact that this switch-on property is also part of the secondary area as a result of cumulative local 5 the edge area forming the end layer is adjacent, the licher overheating even more. between the secondary area and the control electrode The local overheating limits the still safe area, the edge of the di-dt value of such a thyristor bordering the secondary area without adjoining the edge of the main area bordering the secondary area in the one end layer even if this area has a constant distance, and which is to be switched in the forward direction by avalanche breakthroughs with a covering made of electrically conductive material. When such a device is operated, the main electrode, known as the thyristor, is separated from the thyristor that is the main area of contact.
The edge area is designed in such a way and tension between anode and cathode is greater than ordered that when the thyristor is switched on, the breakdown voltage Vbo and no control electrode, the load current is initially supplied with this edge signal. If such thyristors are penetrated in the area and to a considerable extent immediately operated in this way with a di-dt value that is too high, on a path parallel to this through the adjacent one, then they fail at a point that is either in the intermediate layer and through the PN- The transition between the middle or the edge of the semiconductor body is located. the adjoining intermediate layer and the main If a thyristor is deflected only relatively 20 area of the end layer. The deflected briefly lead forward currents, such. B. when part of the load current flows past the edge area and HF inverters, then the size of the di-dt value occurring when serving as a relatively high-amperage switch-on signal for the switch-on process can adversely affect the part of the semiconductor wafer that is below the switching properties of the thyristor - The contact surface of the main electrode is on. Flow through this. In this case, the overheated point does not have enough time to cool down before the onset of the switch-off current from the originally ignited point-like process, and the increased temperature area next to the control electrode to a relative contributes to the thyristor at this point the wide area of the semiconductor wafer next to the strikes. In the case of brief, high forward currents, the edge area of the end layer is triggered before the (for example, current pulses of 100 microseconds 30 load current can have reached a destructive level. Duration and 300 amperes strength) the switch-off time is and one of the end layers is a direct function of the relatively large area available for deriving, di-dt value when switched on. Efforts to date without local overheating occurring. As a result of the di-dt values of the known thyristors without this, the load current can safely and abruptly increase. An increase in the secondary area in the one end layer, and over the entire area of the main area have often resulted in the minimal expansion. Since during this two-stage switch-on times were extended in an undesirable manner, no overheated areas are formed. is the subsequent switching off of the thyristor

Es sind aber auch schon die eingangs erwähnten 4° beschleunigt.But the 4 ° mentioned at the beginning are also accelerated.

Thyristoren mit Nebengebiet in der einen Endschicht Durch die erfindungsgemäße Lehre wird es möglich,Thyristors with secondary area in one end layer The teaching according to the invention makes it possible to

bekannt, die so aufgebaut sind, daß sich der während Thyristoren zu schaffen, deren di-dt-Werte viel größerknown that are constructed in such a way that the during thyristors create their di-dt values much larger

des Einschaltvorgangs des Anodenstroms an der sind als das Zehnfache der di-dt-Werte der bekanntenof the switching on of the anode current at the are than ten times the di-dt values of the known

Stromleitung beteiligte Bereich des Halbleiterscheib- Thyristoren und auch die di-dt-Werte des in der zuge-Power line involved area of the semiconductor wafer thyristors and also the di-dt values of the assigned

chens, durch ein in einer der Schichten erzeugtes 45 hörigen Hauptpatentanmeldung 1489 931 beschrie-chens, described by a 45-eared main patent application 1489 931 generated in one of the layers.

transversales elektrisches Driftfeld rasch auf eine grö- benen Thyristors- übersteigen. Dabei eignen sich dietransversal electrical drift field can quickly exceed a larger thyristor. The

ßere Fläche ausdehnt. Das zu diesem Zweck vorgesehe- Thyristoren nach der Erfindung für hohe Spannungenextends the outer surface. The thyristors provided for this purpose according to the invention for high voltages

ne Hauptgebiet und Nebengebiet der einen Endschicht und höhe Ströme und sie können bei sehr hohenne main area and secondary area of one end layer and high currents and they can at very high

gehen dabei direkt ineinander über. Schaltfrequenzen einwandfrei betrieben werden.go directly into each other. Switching frequencies are operated properly.

Um den bei diesen bekannten Thyristoren erreich- 50 Die hohen di-dt-Werte der Thyristoren nach der baren di-dt-Wert weiter zu erhöhen, wurde bereits in Erfindung werden auch erhalten, wenn sie durch die der zur vorliegenden Patentanmeldung zugehörigen Erzeugung von Lawinendurchbrüchen eingeschaltet Hauptpatentanmeldung 1 489 931.3-33 vorgeschlagen, werden. Insbesondere lassen sich der durch die Ausdaß das Nebengebiet durch eine es gegenüber dem bildung nach der Erfindung zu erzielende zweistufige Hauptgebiet absetzende, einen größeren Querwider- 55 Einschaltvorgang und die damit verbundenen Vorteile stand ergebende Oberflächendiskontinuität der End- auch bei einem Thyristor erhalten, in dem Lawinenschicht gebildet ist. durchbrüche erzwungen werden, wenn man das Rand-Mit dieser Maßnahme lassen sich zwar bessere gebiet zum Halbleiterscheibchen symmetrisch ausbil-Ein- und Ausschalteigenschaften erreichen als bei den det. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Laststrom bekannten Thyristoren und es werden höhere di-dt- 60 anfänglich das Randgebiet durchströmt, obgleich die Grenzwerte erreicht als bisher. Jedoch sind die er- eigentliche Stromleitung an einer Stelle beginnt, die reichten Werte für einige Anwendungen insbesondere dicht neben der Steuerelektrode des Thyristors liegt,
bei höheren Schaltfrequenzen noch nicht ausreichend. Wenn für Hochspannungsanwendungen mehrere Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, solche Thyristoren mit symmetrisch angeordnetem einen Thyristor mit einem noch höherem di-dt-Gtenz- 65 Randgebiet in Reihe geschaltet sind, wird auch dann wert zu schaffen, mit dem bei noch größeren Strömen keine Verzögerung beim Zünden auftreten, wenn einer und Spannungen auch bei hohen Frequenzen noch der Thyristoren durch Lawinendurchbruch eingeeinwandfreier Betrieb möglich ist. schaltet wird. In order to further increase the di-dt values achieved in these known thyristors, the high di-dt values of the thyristors according to the bar di-dt value were also obtained in the invention when they were generated by the generation of avalanche breakdowns associated with the present patent application switched main patent application 1 489 931.3-33 are proposed. In particular, the surface discontinuity of the end area resulting from the outdassing of the secondary area by a two-stage main area to be achieved compared to the formation according to the invention, a larger transverse resistance and the associated advantages, can also be obtained in a thyristor in the avalanche layer is formed. Breakthroughs are enforced when the edge. With this measure, better areas can be formed symmetrically to the semiconductor wafer than with the det. This ensures that the load current of known thyristors and higher di-dt- 60 initially flows through the edge area, although the limit values are reached than before. However, the actual power line begins at a point that is sufficient for some applications, especially close to the control electrode of the thyristor,
not sufficient at higher switching frequencies. If several thyristors are connected in series with a symmetrically arranged thyristor with an even higher di-dt-Gtenz- 65 edge area, then it is worth creating with even higher currents none Delay in ignition occur when one of the thyristors and voltages, even at high frequencies, can still operate properly due to avalanche breakdown. is switched.

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Es sei noch darauf hingewiesen, daß nach dem Stand Die vorstehend beschriebene Ausführungsform einesIt should be noted that according to the prior art, the embodiment described above

der Technik auch Thyristoren bekannt sind, bei denen Thyristors eignet sich besonders zum Einschalten desthyristors are also known in the art, in which thyristor is particularly suitable for switching on the

das Hauptgebiet und das Nebengebiet durch eine Lücke Thyristors mit negativen Steuersignalen, wenn, wiethe main area and the secondary area through a gap thyristor with negative control signals if how

voneinander getrennt sind, wobei das Hauptgebiet bei einer anderen bekannten Thyristorausführung, dieare separated from each other, the main area in another known thyristor design, the

wie üblich mit der Hauptelektrode verbunden ist, 5 Zuleitung 16 für die Steuersignale direkt mit demis connected as usual to the main electrode, 5 lead 16 for the control signals directly to the

während das Nebengebiet direkt mit einer weiteren Belag 70 und nicht mit der ohmschen Steuerelektrodewhile the secondary area directly with a further coating 70 and not with the ohmic control electrode

Steuerelektrode verbunden ist; das Nebengebiet grenzt 47 an der Zwischenschicht 42 verbunden ist. Wenn einControl electrode is connected; the secondary region is adjacent 47 to the intermediate layer 42 is connected. When a

also nicht wie bei dem Thyristor nach der Erfindung negatives Steuersignal an den Belag 70 angelegt wird,So not as with the thyristor according to the invention, a negative control signal is applied to the lining 70,

zwischen der Steuerelektrode und dem Hauptgebiet dann fließt wegen des relativ hohen Querwiderstandsbetween the control electrode and the main area then flows because of the relatively high transverse resistance

direkt an das Hauptgebiet an. Demgemäß entspricht io des Nebengebiets B der Endschicht 41 ein Teil desdirectly to the main area. Accordingly, io of the secondary region B of the end layer 41 corresponds to a part of the

die Wirkungsweise dieses Thyristors auch nicht der Steuerstroms vom Randgebiet B' in die angrenzendethe mode of operation of this thyristor also does not affect the control current from the edge area B ' to the adjacent one

Wirkungsweise des Thyristors nach der Erfindung. und unter dem Belag 70 liegende Zwischenschicht 42,Operation of the thyristor according to the invention. and intermediate layer 42 under covering 70,

Ausführungsformen der Erfindung werden nach- wodurch das Einschalten des Thyristors 15 c beginnt,Embodiments of the invention are after- whereby the switching on of the thyristor 15 c begins,

stehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Als Folge davon wird ein Mikroplasma des Laststromsstanding on the basis of the drawings explained in more detail. As a result, the load current becomes a microplasma

Dabei zeigt 15 anfänglich denjenigen Teil des Thyristors durchströ-15 initially shows that part of the thyristor with

F i g. 1 eine Ausführungsform eines Thyristors nach men, der unterhalb des Belags 70 liegt, und nötwendi-F i g. 1 an embodiment of a thyristor according to men, which is below the covering 70, and necessary

der Erfindung, gerweise das Nebengebiet B durchqueren, Wodurchof the invention, gerweise traverse the secondary area B , whereby

F i g. 2 eine Ansicht der Ausführungsform nach der bereits beschriebene, schnelle, doppelstufige Ein-F i g. 2 a view of the embodiment according to the already described, fast, double-stage single

F i g. 1 von oben, schaltvorgang verursacht wird. Diese Thyristoraus-F i g. 1 from above, the switching process is caused. This thyristor output

F i g. 3 eine Ansicht auf eine andere Aüsführungs- 20 führung kann auch bei Anlegen positiver SteuersignaleF i g. 3 a view of a different execution guide can also be used when positive control signals are applied

form eines Thyristors nach der Erfindung von oben an den Belag 70 in zufriedenstellender Weise betriebenform of a thyristor according to the invention operated from above on the lining 70 in a satisfactory manner

und werden.and will.

F i g. 4 und 5 einen teilweisen Schnitt bzw. eine An- Die hohen di-duWerte der mit Steuerelektroden sieht von oben durch bzw. auf noch eine weitere Aus- schaltbaren Thyristoren nach der Erfindung werden führungsform eines Thyristors nach der Erfindung. 25 auch bei Thyristoren erhalten, die durch Lawinen-Indern in den Fig. 1 und 2 gezeigten Thyristor 15c durchbrüche eingeschaltet werden. Wenn an einen besteht der kathodenfreie Teil der kreisförmigen End- solchen Thyristor in Vorwäftsrichturtg zwischen schicht 41 des Siliciumkörpers aus zwei benachbarten Anode und Kathode eine Spannung angelegt wird, die Gebieten B und B'. Das Nebengebiet B ist als ein seh- gleich der Durchbruchsspannung Vbo ist, dann nenförmig angeordneter Streifen mit relativ hohem 30 schaltet der Thyristor von seinem gesperrten in seinen Querwiderstand ausgebildet, der durch ein angrenzen- leitenden Zustand um. Die Stromleitung beginnt in des Randgebiet B' der Endschicht 41 von der Steuer- einem punktförmigen Bereich, in dem das erste elektrode 47 getrennt ist. Das in den F i g. 1 und 2 Mikroplasma erscheint, und erweitert sich dann fortgezeigte Randgebiet B' ist von der Grenze zwischen dem laufend über die gesamte Fläche des Siliciumscheib-Nebengebiet B und dem Hauptgebiet A der Endschicht 35 chens. Der punktförmige Bereich, in dem die Stromgleichförmig beabstandet und auf seiner oberen Ober- leitung beginnt, kann in der Mitte oder nahe dem Rand fläche mit einem in gleicher Weise ausgedehnten des Siliciumscheibchens liegen und sein Ort kann Belag 70 aus hochleitfähigem Material, z. B. Gold vorhergesagt werden, wenn man den Dotierungsbelegt. Der Belag 70 ist von der danebenliegenden gradienten in dem Siliciumscheibchen kennt. Wenn Hauptelektrode 45 der Kathode, beabstandet und bil- 40 der radiale Dotierungsgradient in der Mitte des det keinen Teil von dieser, obwohl es wegen der Siliciumscheibchens auf eine höhere Dotierungskonleichteren Herstellung als eine aus dem__ gleichen zentration und daher auf einen geringeren spezifischen Material bestehende und erst durch einen Ätzprozeß Widerstand als an dessen Rand hindeutet, dann wird von ihr abgetrennte Insel ausgebildet sein kann. Um der punktförmige Bereich in der Mitte liegen. Wenn eine zufällige Berührung mit der Hauptelektrode 45 45 dagegen der spezifische Widerstand in der Nähe des zu vermeiden, kann der Belag 70 mit einer bei Zimmer- Randes am niedrigsten ist, danü wird der punkttemperatur vulkanisierenden Gummiisolierung (nicht förmige Bereich der anfänglichen Stromleitung wahrgezeigt) bedeckt werden. scheinlich irgendwo am Rand des Siliciumscheib-F i g. 4 and 5 show a partial section or a connection. The high di-du values of the control electrodes can be seen from above through or onto yet another thyristor according to the invention that can be switched off. A thyristor according to the invention is implemented. 25 also obtained with thyristors that are turned on by avalanche indians in Figs. 1 and 2 breakdown thyristor 15c. If a voltage is applied to the cathode-free part of the circular end of such a thyristor in Vorwäftsrichturtg between layer 41 of the silicon body of two adjacent anode and cathode, the areas B and B '. The secondary region B is designed as a strip that is identical to the breakdown voltage Vbo, then the thyristor switches from its blocked to its transverse resistance, which changes due to an adjacent conductive state. The current conduction begins in the edge area B 'of the end layer 41 from the control a point-shaped area in which the first electrode 47 is separated. The in the F i g. 1 and 2 microplasma appears, and then expands away edge area B ' is from the boundary between the continuous over the entire surface of the silicon wafer secondary area B and the main area A of the end layer 35 chens. The punctiform area, in which the current is evenly spaced and begins on its upper overhead line, can be in the middle or near the edge surface with an equally extended silicon wafer and its location can be a coating 70 made of highly conductive material, e.g. B. Gold can be predicted by proving the doping. The coating 70 is known from the adjacent gradient in the silicon wafer. If the main electrode 45 is spaced apart from the cathode and forms 40 the radial doping gradient in the center of the det not part of this, although it is easier to manufacture a higher doping than one consisting of the same center and therefore a lower specific material because of the silicon wafer by means of an etching process, resistance than indicates its edge, then an island separated from it can be formed. Lie around the punctiform area in the middle. If an accidental contact with the main electrode 45 45 on the other hand to avoid the resistivity in the vicinity of the, the covering 70 with a room edge is lowest, then the point temperature vulcanizing rubber insulation (non-shaped area of the initial power line shown) is covered will. apparently somewhere on the edge of the silicon wafer

Nach den F i g. 1 und 2 verläuft der innere Rand 71 chens liegen.According to the F i g. 1 and 2 runs the inner edge 71 are chens.

des leitenden Belags 70 parallel zum Rand der benach- 50 Indem man den Dotierungsgrädienten öder die barten Hauptelektrode 45. Die elektrische Leitfähig- Oberflächenbeschaffenheit eines Thyristors entsprekeit des Belags 70 ist um so viel größer als die des aus Chend wählt, kann man veranlassen, daß Lawinen-Silicium bestehenden und darunter liegenden Rand- durchbrüche in Vorwärtsrichtung entweder in der gebiets B', daß, wenn der Thyristor 15 c einen Last- Mitte oder am Rand des Thyristors erzwungen strom zu führen beginnt, über die gesamte Länge des 55 werden. Der Dotierungsgradient bestimmt die Höhe Randes 71 bezüglich der benachbarten Grenze des der Durchbruchsspannung Vbo in den Thyristorteilen, Hauptgebietes A der Endschicht 41 eine merkbare während die Oberflächenbeschaffenheit die elektrischen Potentialdifferenz entsteht. Infolgedessen wird der Feldstärken innerhalb dieser Teile bei einer Anoden-Strom, der zu Beginn des Einschaltvorgangs das Kathoden-Spannung in Vorwärtsrichtung von gege-Nebengebiet der Endschicht 41 zwischen der Haupt- 60 bener Größe bestimmt. Bei dem in den F i g. 1 und 2 elektrode 45 und dem punktförmigen Bereich in der gezeigten Thyristor könnte eine dieser zwei Größen Nähe der Steuerelektrode 47 durchströmt, gespreizt, so gewählt werden, daß die Lawinendurchbrüche wie durch die gestrichelten Linien der F i g. 2 gezeigt immer zunächst nur in einem vorgewählten Randabist. Durch diese verbesserte Stromverteilung wird eine schnitt in der Nähe der Steuerelektrode 47 auftreten,
frühe Umlenkung des Laststroms im Siliciumkörper 65 Das erfindungsgemäß verbesserte Einschaltverhalten zu einem breiten Bereich, der unter einem wesentlichen kann bei allen durch Lawinendurchbrüche geschalteten Teil der Hauptelektrode 45 liegt, hergestellt, wodurch Thyristoren erhalten werden, wenn man in einer der der di-dt-Wert des Thyristors erhöht wird. beiden Endschichten des Siliciumscheibchens ein ring-of the conductive coating 70 parallel to the edge of the adjacent 50 By choosing the doping gradient or the bare main electrode 45. The electrically conductive surface quality of a thyristor according to the coating 70 is so much greater than that of Chend, one can cause avalanches -Silicon existing and underlying edge breakthroughs in the forward direction either in the area B ' that when the thyristor 15 c starts a load middle or forced current at the edge of the thyristor begins to lead over the entire length of the 55. The doping gradient determines the height of the edge 71 with respect to the adjacent limit of the breakdown voltage Vbo in the thyristor parts, main area A of the end layer 41, a noticeable while the surface quality creates the electrical potential difference. As a result, the field strengths within these parts at an anode current, which at the beginning of the switch-on process, determine the cathode voltage in the forward direction from the secondary area of the end layer 41 between the main level. In the case of the FIG. 1 and 2 electrode 45 and the punctiform area in the thyristor shown, one of these two sizes could flow through the vicinity of the control electrode 47, spread, be selected so that the avalanche breakdowns as indicated by the dashed lines in FIG. 2 always shown initially only in a preselected margin. Due to this improved current distribution, a cut will occur in the vicinity of the control electrode 47,
early deflection of the load current in the silicon body 65. The switch-on behavior improved according to the invention to a wide range, which can be below a substantial range for all parts of the main electrode 45 switched by avalanche breakdowns, produced, as a result of which thyristors are obtained if one of the di-dt values is used of the thyristor is increased. both end layers of the silicon wafer a ring

förmiges Nebengebiet B vorsieht. In der F i g. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Thyristors 75 gezeigt, bei dem der Durchbruch zunächst in der Nähe des Randes des Siliciumscheibchens eintritt.shaped secondary area B provides. In FIG. 3 shows a preferred exemplary embodiment of a thyristor 75 in which the breakdown initially occurs in the vicinity of the edge of the silicon wafer.

Das aus vier Schichten bestehende Siliciumscheibchen des Thyristors 75 der Fig. 3 besitzt eine freiliegende Zwischenschicht 76, die mit einer Steuerelektrode 78 ohmisch kontaktiert ist, an die sich eine Steuerzuleitung 77 anschließt. Das einzige Gebiet der runden, oberen Endschicht 79 des Siliciumscheibchens, das in der F i g. 3 sichtbar ist, ist das ringförmige Nebengebiet B, das einen relativ hohen Querwiderstand aufweist.The silicon wafer, consisting of four layers, of the thyristor 75 of FIG. 3 has an exposed intermediate layer 76 which is ohmically contacted with a control electrode 78, to which a control lead 77 is connected. The only area of the round top end layer 79 of the silicon wafer shown in FIG. 3 is visible, is the annular secondary region B, which has a relatively high transverse resistance.

Das Hauptgebiet A dieser Endschicht 79 ist mit einer runden Hauptelektrode 80 kontaktiert, die darüber liegt. Ein ringförmiger Belag 80 a, der von der Hauptelektrode 80 beabstandet ist, liegt auf einem Randgebiet B' der Endschicht 79. Der Belag 80 a liegt zwischen dem ringförmigen Nebengebiet B und der Steuerelektrode 78. Irgendein radialer Querschnitt des Thyristors 75 der F i g. 3 ist daher der rechten Hälfte des Thyristors 15c der F i g. 1 ähnlich.The main area A of this end layer 79 is contacted with a round main electrode 80 which lies above it. An annular coating 80 a, spaced from the main electrode 80, lies on an edge region B 'of the end layer 79. The coating 80 a lies between the annular subsidiary region B and the control electrode 78. Any radial cross-section of the thyristor 75 of FIG. 3 is therefore the right half of the thyristor 15c of FIG. 1 similar.

Wenn der Thyristor 75 eingeschaltet wird, indem die Kathoden-Anoden-Spannung auf den Fso-Wert gebracht wird, dann leitet er den Laststrom zunächst nur in einem punktförmigen Bereich, der irgendwo an seinem Rand außerhalb des ringförmigen Nebengebiets B der Endschicht 79 liegt. Dieser Strom muß zu Beginn den relativ hohen Querwiderstand des Nebengebiets B durchfließen, um die Hauptelektrode 80 zu erreichen, und ein bedeutender Bruchteil von ihm wird sofort auf einen parallelen Weg abgelenkt, der den PN-Übergang zwischen dem Hauptgebict A der Endschicht 79 und der angrenzenden Zwischenschicht 76 des Siliciumscheibchens einschließt. Der abgelenkte Strom wird als auslösendes Einschaltsignal für dasjenige Gebiet des Siliciumscheibchens dienen, das unterhalb der Hauptelektrode 80 liegt, wodurch der erwünschte zweistufige Einschaltvorgang verursacht wird.When the thyristor 75 is switched on by bringing the cathode-anode voltage to the Fso value, it initially conducts the load current only in a punctiform area that lies somewhere on its edge outside the annular secondary area B of the end layer 79. This current must initially flow through the relatively high transverse resistance of the secondary region B in order to reach the main electrode 80, and a significant fraction of it is immediately deflected onto a parallel path which forms the PN junction between the main region A of the end layer 79 and the adjacent one Interlayer 76 of the silicon wafer. The deflected current will serve as a triggering switch-on signal for that region of the silicon wafer which lies below the main electrode 80, thereby causing the desired two-stage switch-on process.

Durch den ringförmigen Belag 80 a aus Gold, mit dem das Randgebiet der Endschicht 79 des Thyristors 75 belegt ist, wird die Anfangsstromverteilung durch das Nebengebiet B verbessert, da der Strom vom punktförmigen Bereich aus, in dem der Einschaltvorgang beginnt, weit gespreizt wird, so daß die zweite Stufe des Einschaltvorgangs in einem relativ weiten Bereich des Siliciumscheibchens stattfindet, der im wesentlichen unter der gesamten Fläche der Hauptelektrode 80 liegt. Hierdurch wird die Spreizung des Stroms im Siliciumscheibchen während des Einschaltvorgangs verbessert. Der Belag 80 a aus Metall dient weiterhin dem Zweck, eine schädliche Beeinflussung des freien Randes des PN-Überganges zwischen den Schichten 76 und 79 während desjenigen Herstellungsschrittes (z. B. Ätzens) zu vermeiden, der notwendig ist, um die Hauptelektrode 80 von dem ringförmigen Nebengebiet B zu entfernen und die Dicke des Nebengebiets B zu verringern.The ring-shaped coating 80 a made of gold, with which the edge area of the end layer 79 of the thyristor 75 is coated, improves the initial current distribution through the secondary area B , since the current is spread widely from the point-shaped area in which the switch-on process begins, so that the second stage of the switch-on process takes place in a relatively wide area of the silicon wafer which is substantially under the entire area of the main electrode 80. This improves the spread of the current in the silicon wafer during the switch-on process. The coating 80 a made of metal also serves the purpose of avoiding a harmful influence on the free edge of the PN junction between the layers 76 and 79 during the manufacturing step (e.g. etching) that is necessary to separate the main electrode 80 from the to remove annular secondary area B and to reduce the thickness of secondary area B.

Wenn bekannt ist, daß ein durch Lawinendurchbruch eingeschalteter Thyristor zunächst in der Mitte durchschlägt, dann kann eine ringförmige Hauptelektrode zusammen mit einem inneren ringförmigen Nebengebiet B mit relativ großem Querwiderstand in der entsprechenden Endschicht des Thyristors vorgesehen werden. Ein solcher Thyristor kann entweder eine exzentrisch angeordnete Steuerelektrode aufweisen oder, wie in den F i g. 4 und 5 gezeigt ist, ein ringförmiges Nebengebiet B und eine konzentrische Steuerelektrode besitzen. In diesem beiden Figuren ist ein Thyristor 75 a gezeigt, der ein aus vier Schichten 81, 82, 83 und 84 bestehendes Siliciumscheibchen enthält, wobei das Hauptgebiet A der N-leitenden Endschicht 81 mit einer gleichgroßen ringförmigen Hauptelektrode 85, der Kathode, bedeckt ist. Über den inneren Rand der Hauptelektrode 85 ragt ein ringförmiges relativ dünnes Nebengebiet 81a der Endschicht 81 hinaus. Innerhalb dieses Nebengebiets 81a liegt ein Stück der angrenzenden Zwischenschicht 82 des Siliciumscheibchens frei, das im Zentrum mit einer Steuerelektrode 78 α versehen ist, die mit einer Steuerelektrodenzuleitung 77 verbunden ist. Auch mit dieser Thyristorausführung wird der doppelstufige Einschalt-Vorgang unabhängig davon erhalten; ob das Einschalten durch ein Signal an der Steuerelektrode oder an der Anode erzielt wird.If it is known that a thyristor switched on by avalanche breakdown initially breaks down in the middle, then an annular main electrode together with an inner annular secondary region B with a relatively large transverse resistance can be provided in the corresponding end layer of the thyristor. Such a thyristor can either have an eccentrically arranged control electrode or, as in FIGS. 4 and 5 have an annular sub-region B and a concentric control electrode. In these two figures, a thyristor 75a is shown which contains a silicon wafer consisting of four layers 81, 82, 83 and 84, the main area A of the N-conducting end layer 81 being covered with an equally large, ring-shaped main electrode 85, the cathode. An annular, relatively thin secondary region 81a of the end layer 81 protrudes beyond the inner edge of the main electrode 85. Within this secondary region 81a, a piece of the adjoining intermediate layer 82 of the silicon wafer is exposed, which is provided in the center with a control electrode 78a, which is connected to a control electrode lead 77. With this thyristor version, too, the two-stage switch-on process is maintained independently of this; whether switching on is achieved by a signal at the control electrode or at the anode.

Die Ausführungsform eines Thyristors nach den F i g. 4 und 5 kann abgewandelt werden, indem man einen nicht dargestellten Goldbelag auf einem Teil des Nebengebiets 81a anbringt, der vom Hauptgebiet der Endschicht 81 beabstandet ist. Dieser Belag dient dem gleichen Zweck wie der Belag 80 a bei der Ausführungsform nach der Fig. 3. Wird ein negatives Steuersignal zum Schalten des Thyristors verwendet, dann kann das innere Nebengebiet anstatt ringförmig auch scheibenförmig sein, und die Steuerelektrode kann direkt mit dem elektrisch leitenden Belag verbunden sein, der über einem mittleren Teil dieses inneren Nebengebiets liegt.The embodiment of a thyristor according to FIGS. 4 and 5 can be modified by adding a gold plating (not shown) on a part of the secondary area 81a, which is from the main area of the End layer 81 is spaced. This lining serves the same purpose as the lining 80 a in the embodiment according to Fig. 3. If a negative control signal is used to switch the thyristor, then the inner secondary area can also be disk-shaped instead of ring-shaped, and the control electrode can be connected directly to the electrically conductive covering over a central part of this inner secondary area.

Auf Grund des verbesserten Einschaltverhältens, welches mit den Ausführungsformen der F i g. 3 bis 5 erzielt wird, können durch Lawinendurchbrüche schaltende Thyristoren bei wesentlich höheren di-dt-Werten als bisher eingesetzt werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn man sie in der Hochspannungstechnik einsetzt, wo viele in Serie geschaltete Thyristoren zum Schalten von Hochspannungskreisen verwendet werden. Obwohl in einer solchen Reihe gleichzeitig an alle Steuerelektroden der Thyristoren Einschaltsignale angelegt werden, ist es möglich, daß einige Thyristoren nicht so schnell wie andere eingeschaltet werden. Aus diesem Grunde besteht die Möglichkeit, daß mindestens der langsamste Thyristor durch einen Lawinendurchbruch eingeschaltet wird. Durch die verbesserten di-dt-Werte der Thyristoren nach der Erfindung wird daher das Einschaltverhalten mehrerer in Serienschaltung angeordneter Thyristoren entscheidend verbessert.Due to the improved switch-on ratio, which is achieved with the embodiments of FIGS. 3 to 5 is achieved, thyristors switching through avalanche breakdowns can be used with significantly higher di-dt values than before. This is of particular advantage if they are used in high-voltage engineering, where many thyristors connected in series are used to switch high-voltage circuits. Although turn-on signals are simultaneously applied to all control electrodes of the thyristors in such a row, it is possible that some thyristors are not turned on as quickly as others. For this reason there is the possibility that at least the slowest thyristor will be switched on by an avalanche breakdown. Due to the improved di-dt values of the thyristors according to the invention, the switch-on behavior of several thyristors arranged in series is therefore decisively improved.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Thyristor according to one of the claims of the main patent 1489 931 with two main electrodes, the contact surfaces of which are spaced from one another, and with a semiconductor wafer arranged between these main electrodes and made up of several successive layers of alternately different conductivity types, the one end layer of the semiconductor wafer having a main area with a adjacent to the contact surface of the one main electrode. Area of essentially the same extent as this contact area as well as at least one secondary area arranged between this main area and a control electrode connected to one of the 'intermediate layers, and wherein the other end layer of the semiconductor wafer is connected to the contact area of the other main electrode, the secondary area being connected by a control electrode settling over the main area, a larger cross-resistance resulting surface discontinuity is formed of the final layer, characterized in that a likewise part of the final layer (41) adjacent to the side area (B) forming the edge region (B ') connected between the sub-region (B) and the control electrode (47) is located, whose bordering the side area (B) the edge has a constant distance from the adjoining the side region (B) of the main area (a), and with a covering (70) aus.elektrisch conductive material provided is that of the main contacting the main area (A) telelectrode (45) is separated.

2. Thyristor according to claim 1, characterized in that the end layer (41) has the shape of a circular disk, the edge region (B ') has the shape of a segment of a circle and the secondary region (B) has the shape of a strip arranged along the chord of the segment of a circle. . ..

3. Thyristor according to claim 1, characterized in that the main region (A) has the shape of a circular disk, the secondary region (B) has the shape of a circular disk-shaped main region (A) enclosing 'circular ring and the edge region (B') has the shape of a the circular ring-shaped secondary region (B) enclosing the circular ring, and that the control electrode (77) makes contact with the circular disk-shaped intermediate layer (76) at a point on the periphery.

4. Thyristor according to claim 1, characterized in that the main area (A) has the shape of a circular ring and encloses the annular secondary area (B, 81a), and that in the circular opening of the annular secondary area (B, SIa) the control electrode (77) the intermediate layer (82) contacted.

5. Modified thyristor according to claim 4, which is switched on with a negative signal at the control electrode, characterized in that the secondary area (B) enclosed by the annular main area (A ) has the shape of a circular disk, and that the control electrode with the centrally arranged Coating made of electrically conductive material is connected.

The invention relates to a thyristor with two main electrodes, the contact surfaces of which are from one another have a spacing and with a semiconductor wafer arranged between these main electrodes of several successive layers of alternately different conductivity types, one end layer of the semiconductor wafer a main area with an area of im adjoining the contact area of the one main electrode

ίο essentially the same extent as this contact surface as well as at least one connected between this main area and one connected to one of the intermediate layers Having control electrode arranged secondary region, and wherein the other end layer of the semiconductor wafer is connected to the contact surface of the other main electrode.

In such a thyristor, the secondary area provided in one end layer serves to when switching on the * anode current between the two main electrodes through its as quick as possible Spread over the entire surface of the semiconductor wafer, a punctiform heating of the semiconductor wafer to avoid. As a result, such a thyristor can also be used with relatively rapid increases of the anode current.

To explain this in more detail, let us first consider the thyristors that have been known for a long time. This Thyristors, which usually have a semiconductor wafer made of silicon and which are then also controllable Silicon rectifiers usually contain four layers, the three of which are rectifying Form PN junctions. Of the two main electrodes, one forms the cathode and the other forms the Anode. If such a thyristor is switched into an electrical circuit, then it is normally the flow of current in the forward direction between its anode and its cathode is blocked until a small one

'· Control current of suitable size and duration is applied to the control electrode. The construction and operation and the shortcomings of such semiconductor devices are also well known.

One of the disadvantages of these known simple thyristors is that they cannot reliably withstand very rapid anode current increases during the switch-on process (switch-on current steepness or di / di). For example, these known thyristors would be destroyed if, when switching from a forward blocking voltage of 700 volts, the di-dt value were not limited to a value of less than 50 amperes / microsecond by a choke or the like switched on in the external load circuit. For some envisaged applications of the thyristor and also with a view to reducing the spatial dimensions and the costs for the external current limiting means, however, higher di-dt values are desirable.

If the i / i-A value becomes too large, then such a known thyristor fails because on its place in the vicinity of the control electrode contact, the silicon body is locally overheated. On At this point the power line begins in a narrowly limited area, and when it passes through a high initial current density generated heat appreciably exceeds that value at which a safe Heat dissipation is possible, then the semiconductor body will burn through at this point. This local Heating is also influenced, and indeed decreased, by the magnitude of the applied voltage