DE1614440A1

DE1614440A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE1614440A1
Application number: DE19671614440
Authority: DE
Inventors: Dr Hansjochen Benda; Dr Friedrich Dannhaeuser; Dr Adolf Herlet; Dr Arnulf Hoffmann; Alfred Porst; Karl Schuster; Dr Eberhard Spenke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-08
Filing date: 1967-03-08
Publication date: 1970-07-16
Also published as: CH474862A; NL6802738A; BE711932A; FR1565551A

Description

·' T h y r i s t ο r '

Die Erfindung betrifft einen; Thyristor bestehend aus einen im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus JiXizium oder Germanium, mit vier-je zwei Außenhonen und zwei Innencc- nen bildenden Zonen abwechselnden Leitungstyps.

Eine wichtige Thyristo.reigenschaft ist die ".Preiwerdezelt» Darunter· wird bei Kommutierun^ßvorgängen diejenige Zeit verstander!, di^ vorstreichen muf3, damit nach "Durchgang des Dunhlaßstronies dur'.r, der. 'Jert Null v/ieder die volle Sperrspannung in DurchlaiSrichtung· n.";
den Thyristor angelegt werden kann, ^hne da'3 dieser ve η ao^-bnt du-chzündet. Bei bekannten Thyristoren hat diese Preiwerde^e: t Ή«·? .'iroßenordnung mehrerer Trägerlebensdauern. Die Ursache hierfür is*, in dem· sogenannten Träger3taueffekt in den - Innenhonen des Thyrist.-vü

zu 3uchen.

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Dieser Trägerstaueffekt bewirbt, daß nach dem Nulldurchgang dee Durchlaßstromes der Spannungsabfall am Thyristor zunächst gering ist und daher für kurze Zeit ein kräftiger Strom in Sperrichtung, der sogenannte Rückstrom, fließt, der nur vom Widerstand des äußeren Stromkreises begrenzt ist. Der Spannungsabfall am Thyristor wird allmählich größer und schließlich von den äußeren pn-übergängen des Bauelementes übernommen.

Der Thyristor kann unter Umständen sogar die volle Sperrspannung in Sperrichtung zu einem Zeitpunkt übernehmen, in dem die Träger in den Innenzonen beiderseits des mittleren pn-Übergangea noch nicht vollständig ausgeräumt sind. Der zeitliche Verlauf des Rückstromes ist ein Kriterium für die Menge der noch in den Innenzonen vorhandenen Ladungsträger. Befinden sich noch zuviel Ladungsträger in den Innenzonen, so hat dies zur Folge, daß der Thyristor bei zu schnellem Wiederumpolen der an ihm anliegenden Spannung aus der Sperr- in die Durchlaßrichtung sofort zündet. Der Thyristor hat also während des Ausräumprozesaes einen gewissen, zeitlich veiänderlichen Spannungsbedarf,, den sogenannten Auaräumapannungabe- I dftrf, der von der Stromkreis-EMK in jedem Augenblick des Auaräum- ; Prozesses um den Spannungsabfall am ohmacheh Widerstand des äußeren Stromkreises übertroffen werden muß. Es hängt von der Höhe und den), zeitlichen Verlauf der EMK im Stromkreis ab, ob ausreichend viel Ladungsträger aus den Innenzonen ausgeräumt werden» so daß der Thyristor beim Wiederumpolen der Spannung nicht durchzündet.

Der durch die Konstruktion des Thyristor® bedingte'Ausräuaspannungsbedarf soll jedoch nicht so hoch sein,, daß das Ausräumen der

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Ladungsträger dttfeh '»b^ealc down* behindert wird. Die EMK des StromkreiBSö äJB&£ nicht größer Werden als die Spannung, bei der "break-(UtMHi¹* eintrittj, d*h* der Aüeräuraspannungsbedarf des Thyristors kann durch die |SMK nur ssum Veit gedeckt werden. Mit Hilfe dieser durch ^hbreakdown" begrenzten Äüsräumspannung kann auch nur eine begrenzt« Anzahl yon Jtadtingstrageiii aus den Innenzcnen des Thyrie.toia ausgeräumt werden»". 4*«¹ Heat kann nur durch Rekonbination verechwiniöieh, ϊίίι solöher fhyrietor hat dann die obenerwähnte relativ lange Preiwerdezeit von^ einigen Trägerlehenodauern» i*5an ^ann hier durch Einbau iron Refcoinbinationszent^en in die Innenzonen des ThyriStore einen güirisee Abhilfe schaffen, jedoch sind dem Grenzen _f~eeetfit, (Ja Äie Innenhonen nißht beliebig hcah mit Jiekombinations- *entren angereichert werden dürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor mit be-Bonders geringem Aus räüniö|Jännun gäbe darf und daher besonders kleiner Preiwerdezeit su schaffen*

|ii«g|r ÄUfgäbe wird erfindüngsgemäß dadurch fslöst, daß die r-lei- #it|te IimtniSOhe- mindestens um den Fakt er 5 dicker als die K-lei- -%iHiiit Ιηηβηεοηβ. "■.."■._;. -"■■; -^: , ..■'.. ;■":"'".'■■ . .. ■

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung an Ausführungs.beispi^les näher erltutert:

?igur la zeigt einen Thyristor bekannter Bauart in schematisoher, .''-*;■-*.■■■■ ; nicht maßstabsgetreuer Darstellung.

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Figur 1b zeigtcten zeitlichen Verlauf des Rückstromes des Thyristors nach Figur 1a.

Figur 2a zeigt einen Thyristor gemäß der Erfindung in sciiematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung.

Figur 2b zeigt den zeitlichen Verlauf des Rückstromes des Thyristors nach Figur 2a. ,

Figuren 3 bis 5 zeigen Dotierungsprofile von Thyristoren gemäß der Erfindung.

Figur 6 zeigt einen nicht maßatabsgetreuen Schnitt durch einen Thyristor mit einem Dotierungsprofil gemäß Figur 3 oder Figur 5.

Figur 7 zeigt einen nicht maßstabsgetreuen Schnitt durch einen Thyristor mit einem Dotierungsprofil gerräß Figur 4..

Der Thyristor nach Figur 1a besteht aus einer p-leitenden Außenzone 1 und einer p-leitenden Innenzone 3 sowie einer η-leitenden Innenzone 2 und einer η-leitenden Außenzone 4. An den Außenzonen 1 und 4 sind Stromzuführungen 5 und 6 angebracht, während an der Innenzone 3 eine Zündelektrode 7 angeordnet ist. Diese Zündelektrode 7 kann auch entfallen, wenn der Thyristor vor Erreichen dor Kippspannung an den Zuführungen 5 und 6 nicht künstlich gezündet werden soll. Die η-leitende Innenzone 2 ist dicker als die p-leitende Innenzone 3.

Der über die Zuleitungen 5 und 6 durch den Thyristor fließende. Strom sei gerade durch Null gegangen und das Bauelement sei nunmehr in ■ Sperrichtung gepolt. Der durch "den Thyristor zunächst fließende Strong der sogenannte Rückstrom, steigt nach dem Stromnulldurchgang zuerst

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steil an, klingt dann aber allmählich ab, so daß schließlich durch den Thyrisotr der statische Sperrstrom fließt. -Der zeitliche Verlauf des Rückstromes durch den Thyristor nach Figur la ist in Figur 1b dargestellt. Wie- man erkennt, fällt der Rückstrom nur sehr langsam ^ ab_f so daß der statische Sperrstrom erst nach verhältnismäßig langer Zeit erreicht wird. Der statische Sperrstrom ist in Figur 1b-zur Verdeutlichung stark überhöht dargestellt.

Der Thyristor nach Figur 2a besteht ebenfalls aus einer p-leitenden Außenzone 8 und einer p-leitenden Innenzone IO sowie einer n-1eitenden Innenzone 9 und einer n<-leitenden Außenzone 11. An den beiden Außen-' zonen 8 und 11 sind Stromzuführungen 12 und 13 und an der Innenzone 9 eine Zündelektrode 14 angeordnet. Die Zündelektrode 14 kann wie beim Thyristor nach Figur 1a auch entfallen. Die p-leitende Innenzone 10 ist gemäß der Erfindung mindestens um den Factor 5 größer als die η-leitende Innenzone 9. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem Thyristor nach Figur 2a der Rückstrom fast stufenförmig abklingt. Deshalb wird das Bauelement bereits nach kurzer Zeit nur noch yora statischen Sperrstrom durchflossen. Das bedeutet, dai3 der Aueräumspannungsbedarf und damit auch die Freiwerdezeit bei einem Thyristor nach Figur 2a geringer sind als bei einem Thyristor nach Figur 1a,Der zeitliche Verlauf des Rückstromes durch den Thyristor nach Figur 2aist in Figur 2b dargestellt. Auch hier ist der Sperrstrom überhöht dargestellt.

Insbesondere bei Iieistungsthyristoren ist eine große Sperrspannung. in Durchlaßrichtung (Kippspannung) erwünscht. GoIl also ein Lei-

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atungsthyristor mit geringem Ausräumspannungsbedarf und hoher Sperrspannung in Durchlaßrichtung geschaffen werden, so ist in Weiterbildung der Erfindung die mittlere Dotierungakonzentration der nleitenden Innenzone höher als die der p-leitenden Inennzone zu wählen. Soll außerdem der Spannungsabfall am Thyristor in Durchlaßrichtung (Durchlaßspannung) nicht zu groß^werden, so darf die Summe der Dicken der beiden Innenzonen das Vierfache der Diffusionslänge der Ladungsträger.bei starker Injektion nicht wesentlich übersteigen. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Dicke der p-leitenden Innenzone etwa 100 bis 600 μ und ihre Dotierungskonzentration e/twa 10 bis 10 cm betragen, während die Dicke der η-leitenden Innenzone etwa 10 bis 50 μ und ihre mittlere Dotierungskonzentration etwa 10

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bis 10 cm -betragen. ·

Figur 3 zeigt in einfach logarithmischer Darstellung das Dotierungsprofil eines Leiatungsthyriators aus Silizium. Die η-leitende Innenzone dieses Thyristors ist gleichmäßig dotiert. Die Dicke der p-leJ-tenden Außenzone 8 beträgt 15 μ, die der η-leitenden Außenzone 11 -\ 50 μ. Die η-leitende Innenion^ 9^ hat eine Dicke von 20 %, die p-lej4- y tender Innenzone 10 eine Dicke von 340 μ. Die p-leit#nde Iönenzone TO ist gleichmäßig dotiert und weist eine Dotierungskonzentration von > 2 » 10 cm auf, während die·η-leitende Innenzone 9 eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 5 · 10 cm aufweist. Die p-lei-f»

dotiert'

tende und die n-l.eitende Außenzone 8 und 11 sind höhei/als die Innenzonei9 und 10. Im vorliegenden Fall beträgt die Dotierungskonzentration der Zonen 8 und 11 etwa .10 cm" .

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$t« obere Srenze für die Kippgpannung etwa eines Ijeistungsthyristors tisch Figur 3 ist durch den ^Hpunch through" der Raümladüngszone am mittleren jpn*Übergang zum pn-übergang zwischen der p-ieitenäen Aufieheone und der n-leitenden Innenζone bestimmt. Der ausräumspannungs bedarf dagegen ist im wesentlichen durch die Bedingung begrenzt, daß to\pn>Übergahg zwischen der p-leitenden Außenzone und der n-leitenden Innen«pne kein «break down" eintreten darf*

JBlfli betondera hohe Kippapännuiig bei geringem Ausräumspannunpsbedarf erhält man, «renn die Dotierungskonzentration in der η-leitend en Innen- tone eines leietungethyristors mit aünehmender Entfernung von der p-leitehden Innenzone ansteigt und an der Grenze.zur p-leitenden Außen ffntn lert vöa etwa 5 « 10¹^ bis 10 ein"⁵ annimmt. Es ist n<r-- \m4iai die Dotiertingskonzehtra ti on in der n-leiteriden InncnricnQ Wtnigitena^ angenähert exponentiell ansteigt. .

Pigur 4 lelgt das Bötierungsprofil eines Thyristors, dessen n-lei- innenzone 9 eine Dicke von 40 μ hat und dessen Dotierünfro- i in der η-leitenden Innenzone 9 ausgehend vom Ti'ert

^ im"- an der Grenze 2ur p-leitenden Innenzone" 10 mit zunehmen tl|C fintfernung tot äer p-^eitenden Innenzone 10 etwa exponentiell an-

«ieigi und an der Orenie zur p-ieitenden Au3enaone1i einen ,Vert 5 * ίΦ pm annimmt. Die p-^leitende Aui3enzone 8 besitzt eine Diske 15 μ ίίοα eine DotieriHigsJconzentraticn von 10 cm , die p-lei~

10 eine DickeVvon 50* μ sowie eine DotTeTungs]con2en_T 4ie ausgehend vom pn-öbergang ziinäbhst etwa e±ponentiell schiiefilieh Mnen gleichbleibenden Wert von 10 cn"

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'Erhöhte Sicherheit gegen Durchzünden bei einer Spannung in Kipprichtung wesentlich unterhalb der Spannung, bei der "punch through" eintritt, erhält man, wenn die D'otierungskonzentration in der n-leitenden Innenzone des Thyristors mit zunehmender Entfernung von der pleitenden Außenzone ansteigt und an der Grenze zur p-leitenden Innenzone einen Wert von 10 bis 10 cm annimmt. Günstig ist es, wenn die Dotierungskonzentration in der η-leitenden Innenzone stu-

kann fenförmig ansteigt. Die η-leitende Innenzone/in einer ersten, an

die p-leitende Außenzone angrenzenden 10 bis 40 μ dicken Teilzone

eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 10 bis 10 cm und in einer zweiten, an die p«leitende Innenzone angrenzenden 2 bis 15 μ dicken Restzone eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 3 ' 10 bis 10 cm"' aufweisen.

Figur 5 zeigt das Dotierungsprofil eines Leistungsthyristors, der in der η-leitenden Innenzone 9 in einem 20 μ dicken Bereich neben der p-leitenden Außenzone 8 eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 5 ·.1C cm und in einem 4 μ dicken Bereich neben der p-leitenden Innenzone 1C eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von

₁₍- em-3.
2 · 10 /aufweist. Die Dotierungskonzentrationen der übrigen Zonen 8, 10 und 11 sowie die Dicken der Zonen 8, 10 und 11 sind gleich den entsprechenden Werten des Thyristors nach Figur 3.

Der Thyristor nach'Figur 6, der ein Dotierungsprofil gemäß Figur 3 oder Figur 5 besitzen kann, besteht aus einem einkristallinen, achei beriförr.igen Siliziumkörper mit Zonen 8 bis 1 1 abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps. Die n-leitende Außenzone 11 und die n-leiten

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de Inrienzone 9 können durch Epitaxie hergestellt werden, wahrend die p-leitende Äußenzöne 8 die Rekrißtallisationszone ist, die nach dem Einlegieren einer Ringscheibe aus Akzeptormaterial enthaltendem Gold zur Herstellung der Kontaktelektrode 12 entstanden ist. Die p-leitende Innenzone 10 besteht aus dem einkristallinen, p-leitenden Substrat, auf dem das Silizium epitaktisch abgeschieden \vurde. Die Kontaktelektroden 13 und 14 können aus einer aufgedaapften Aluminiumschicht bestehen,

Figur 7 zeigt einen Schnitt durch einen Thyristor mit einem Dotierungsprofil nach Figur 4. Der Thyristor besteht aus einkristallinem Silizium.und enthält vier nebeneinander liegende Zonen 8 bis 11 abwechselnden Leitungstyps. Zur Herstellung dieses Thyristors wird von einer einkristallinen Scheibe aus p-leitendeirt Silizium ausgegangen, in die allseitig Donatormaterial unter Ausbildung der p-leitenden Kernzone TO und einer n-leitenden Oberflächenschicht eindiffundiert wird» Die η-leitende Oberflächenschicht ist durch einen Graben 15 in di« n—leitende Außenzone 11 und die η-leitende Innenzone 9 aufgeteilt. Die p-leitende Außenzone.8 ist die Rekristallisationszone, die nacht dem Einlegieren einer Ringscheibe aus Äkzeptormaterial enthaltendem Gold zur Herstellung der Kontaktelektrode 16 entstanden ist« Die "KontaktelektrOden 17 und TS sind durch Einlegieren von Donatarmaterial enthaltenden Goldscheiben entstanden. Die Kippspannung kann in üblicher Weise z.B. durch äußere Kurzschlüsse am Emitter-pn-Übergang zwischen den Zonen 8 und 9 der Thyristoren nach Figuren 6 und 7 temperature tab j.1 gemacht werden.

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Die Erfindung ist nicht nur auf steuerbare Thyristoren beschränkt, sondern sie kann unter Erzielung derselben Vorteile auch auf nicht steuerbare Vierschichtanordnungen angewandt werden.

Die aus der vorstehenden Beschreibung - oder/und die aus der zugehörigen Zeichnung - entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen, ebenso wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, alg wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen.

10 Patentansprüche

7 Figuren

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Claims

/14

Patentansprüche

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1. !thyristor bestehend auft einemim wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium oder Germanium, mit vier je zwei Außenhonen und zwei Innenzonen bildenden Zonen abwechselnden Leittlhgetyps, dadurch gekenngeichiiet, daß die p-leitende Innentone mindestens um den Eaktor 5 dicker ist als die n-leitende '

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlert Dotierungskonzentration der n-l!«itenden Innenzone höher ist ale di· der p-leitenden Innensone. '

3». Thyristor nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet, daß die p—leitendt Innenzone gleichmäßig dotiert ist.

♦♦ Thyriitor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dick· der p-leitenden Innjenzone etwa 100 bis 600 μ und ihre DotlAJTM^eefcoK^ehtratiOn etwa 10 bis 10 cm laetragen, während ; €i« Dicke der n-le it enden Innen ζ one etwa 1G bis 50; μ und ihre ^; .. ■" mittlere Doti6rungBkon,2entration etwa 10 bis IC ^ cm betragen.

0· ihyristor nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Innenzone gleichmäßig dotiert.ist.

^^f €* Thyrietor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dc- — .tiitjctlngskonzentration in der n-1 ei tend en Innenzone mit zunehmen-

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der Entfernung von der p-leitenden Innenζone ansteigt und an der Grenze zur p-leitenden Außenzone einen Wert von etwa 5 · 10 bis

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10 cm annimmt.

7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der η-leitenden Innenzone wenigstens angenähert exponentiell ansteigt.

8. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Do- ' tierungskonzentration in der η-leitenden Innenzone mit zunehmender Entfernung von der p-leitenden AußezizOne ansteigt und an der Grenze zur p-leitenden Innenzone einen Wert von 10 'bis 10 cm annimmt.

9. Thyristor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der η-leitenden Innenzone stufenförmig ansteigt,

10. Thyristor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nleitende Innenzone in einer ersten, an die p-leitende Außenzone angrenzenden 10 bis 40 μ dicken Teilzone eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 10 bis 10 cm und in einer zweiten, an die p-leitende Innenzone angrenzenden 2 bis 15 μ dicken Restzone eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 3*10 bis 10 cm~3 aufweist.

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