DE1764821B1

DE1764821B1 - In zwei richtungen schaltbarer thyristor

Info

Publication number: DE1764821B1
Application number: DE19681764821
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Gamo; Takahiko Ichimura; Akio Kawagishi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1967-08-25
Filing date: 1968-08-13
Publication date: 1971-10-14
Also published as: FR1578544A; GB1220894A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen in zwei Rieh- stromes in den vier möglichen Zündarten zu vertungen schaltbaren Thyristor mit einem scheiben- ringern, wodurch die Eigenschaften des Thyristors förmigen Halbleiterkörper, welcher unter Verwendung verbessert werden. Da die Steuerelektrode und die einer oberen Außenschicht, einer oberen Zwischen- danebenliegenden Teile der ersten Hauptelektrode schicht, einer mittleren Zwischenschicht, einer unteren 5 sowie die entsprechenden Schichten des Halbleiter-Zwischenschicht und einer unteren Außenschicht aus plättchens koaxial aufgebaut sind, breitet sich die zwei nebeneinander angeordneten, eine PNPN- bzw. ursprünglich im Bereich der Steuerelektrode erfolgte NPNP-Schichtenfolge aufweisenden Bereichen besteht Zündung sehr schnell radial in Richtung der Haupt- und in einem Abstand von der oberen Außenschicht elektrode aus, so daß die Zündungszeit des Thyristors an der oberen Zwischenschicht eine Steuerelektroden- io sehr kurz ist.

schicht mit einem entgegengesetzten Leitungstyp auf- Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch geweist, wobei eine Steuerelektrode in ohmschem Kon- kennzeichnet, daß die untere Außenfläche des Thytakt mit einem Teil der oberen Zwischenschicht und ristors eine aus zwei Halbkreisen verschiedenen Durchder Steuerelektrodenschicht, eine erste Hauptelek- messers in koaxialer Anordnung zusammengesetzte trode in ohmschem Kontakt mit einem Teil der 15 untere Außenschicht aufweist, wobei der größere Halboberen Außenschicht und der oberen Zwischenschicht kreis dieser unteren Außenschicht in bezug auf die und eine zweite Hauptelektrode in ohmschem Kontakt koaxiale Anordnung gegenüberliegend zu der halbringmit einem Teil der unteren Zwischenschicht und der förmigen oberen Außenschicht angeordnet ist.
unteren Außenschicht steht. Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im fol-

Es sind bereits derartige in zwei Richtungen schalt- 20 genden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher bare Thyristoren bekannt (s. »Proceedings of the erläutert und beschrieben werden, wobei auf die IEEE«, Volumen 53, Nr. 4, April 1965, S. 355 bis 369), Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt
bei welchen die Steuerelektrode mit dem dazugehörigen F i g. 1 ein Diagramm der Strom-Spannungskenn-

Steuerelektrodenbereich entlang des Umfanges einer linie eines in beiden Richtungen schaltbaren Thyder gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiter- 25 ristors gemäß der Erfindung,

körpers angeordnet ist. Da jedoch zur Erzielung einer F i g. 2 und 3 eine Ansicht von oben bzw. von unten

genügend hohen Spannungsfestigkeit der Umfangsteil her eines in beiden Richtungen schaltbaren Thyristors des Halbleiterkörpers während der Fertigung mit gemäß der Erfindung,

Säuren geätzt werden muß, besteht die Gefahr, daß der F i g. 4 eine Schnittansicht des in F i g. 2 und 3 dar-

am Rande des Halbleiterkörpers angeordnete Steuer- 30 gestellten Thyristors entlang der Linie III-III von elektrodenbereich beschädigt bzw. zerstört wird. Ein F i g. 2 und 3,

noch wesentlicherer Nachteil derartiger Thyristoren F i g. 5 eine vergrößerte Ansicht des in F i g. 4 darbesteht darin, daß sie nicht sprunghaft über ihre ganze gestellten Thyristors zur Erläuterung seiner Funktions-Fläche leiten werden. Demzufolge ist der am Beginn weise,

der Zündperiode fließende Strom auf einen Flächen- 35 F i g. 6 eine Teilansicht des mittleren Teils des in bereich in der Nähe der Steuerelektrode beschränkt, F i g. 2 dargestellten Thyristors,
was zu einer lokalen Temperaturerhöhung führt. Die F i g. 7 und 8 Draufsichten auf die beiden Außen-

sich ergebenden Schalteigenschaften des Thyristors flächen einer abgewandelten Ausführungsform des werden dadurch naturgemäß verschlechtert. Thyristors gemäß der Erfindung.

Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, 40 Der erfindungsgemäße Thyristor weist eine Stromeinen in beiden Richtungen schaltbaren Thyristor zu Spannungscharakteristik auf, so wie sie in F i g. 1 geschaffen, welcher diese oben beschriebenen Nachteile zeigt ist. Entsprechend dieser Figur ist die Sperr- und nicht aufweist und der bei kompakter Bauweise sehr Leitungscharakteristik des Thyristors im wesentlichen gute Schalteigenschaften aufweist. symmetrisch. Er kann sowohl bei positiven als auch

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß 45 negativen Steuerelektrodenspannungen von seinem die obere Außenfläche des Thyristors eine halbring- nichtleitenden in seinen leitenden Zustand geschaltet förmige obere Außenschicht und eine einen kleineren werden.

Durchmesser als der Innendurchmesser der halbring- Gemäß F i g. 2 bis 4 besteht der erfindungsgemäße

förmigen oberen Außenschicht aufweisende, koaxial Thyristor aus einem kreisförmigen Halbleiterplättchen zu derselben angeordnete kreissegmentförmige Steuer- 50 10 mit einer PNPN-Struktur. Die obere Außenschicht elektrodenschicht aufweist, wobei letztere in bezug auf 18 ist in Form eines Halbringes mit einem Außenden Mittelpunkt der koaxialen Anordnung gegen- radius R₁ und einem Innenradius R₂ ausgebildet und überliegend zu der halbringförmigen oberen Außen- gemäß Fig. 2 koaxial gegenüber,der.oberen Außenschicht angeordnet ist, und daß auf dieser oberen fläche des Halbleiterplättchens 10 angeordnet. Koaxial Außenfläche des Thyristors koaxial zu den Schichten 55 und gegenüberliegend zu der oberen Außenschicht 18 eine kreisförmige Steuerelektrode mit kleinerem ist gemäß F i g. 3 an der unteren Außenfläche des Durchmesser als die kreissegmentförmige Steuer- Halbleiterplättchens 10 eine untere Außenschicht 20 elektrodenschicht und eine ringförmige erste Haupt- in der Form einer halbkreisförmigen Scheibe mit elektrode mit einem größeren Innendurchmesser als einem dem Außenradius der halbringförmigen oberen der Innendurchmesser der halbringförmigen oberen 60 Außenschicht 18 gleichen Radius ausgebildet, wobei Außenschicht angeordnet sind, so daß ein halbring- im mittleren Bereich ein halbkreisförmiger Vorsprung förmiger Bereich der oberen Außenschicht von der vorspringt. Der halbkreisförmige Vorsprung hat einen ersten Hauptelektrode nicht bedeckt und ein kreis- Radius von i?₄, der im wexentlichen gleich oder größer segmentförmiger Bereich der oberen Zwischenschicht als der Innendurchmesser R₂ der halbringförmigen von der Steuerelektrode bedeckt ist. 65 oberen Außenschicht 18 ist. Demzufolge ist der Vor-

Durch das Vorsehen der Steuerelektrodenschicht im sprung komplementär in der Form ausgebildet und Mittelpunkt einer der Außenflächen des Halbleiter- gegenüberliegend an der innerhalb der oberen Außenplättchens ist es möglich, Unterschiede des Steuer- schicht 18 angeordneten Ausnehmung angeordnet.

Eine kreissegmentförmige Steuerelektrodenschicht 24 mit einsm Radius R₃ ist an der oberen Außenfläche des Halbleiterplättchens 10 derart angeordnet, daß ihr Mittelpunkt im Mittelpunkt der Außer.fliehe des Halbleiterplättchens 10 liegt, wobei der abgeschnittene Teil des Kreissegments der Ausnehmung in der oberen Außenschicht 18 gegenüberliegt. Zwischen diesen Schichten 18,24 ergibt sich somit eine Zwischenzone 26 der oberen Zwischenschicht 14. Der Radius R₃ der kreissegmentförmigen Steuerelektrodenschicht 24 ist im wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner als der Innenradius R₂ der halbringförmigen oberen Außenschicht 18.

Das Halbleiterplättchen 10 weist eine konzentrisch angeordnete, in ohmschem Kontakt mit der oberen Außenfläche stehende, ringförmige erste Hauptelektrode 28 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, deren Außenradius R₅ geringfügig größer oder kleiner als der Radius R₁ der oberen Außenschicht 18 und deren Innenradius R_e geringfügig größer als der Innen- ao radius R₂ der oberen Außenschicht 18 ist. Demzufolge ergibt sich, daß die erste Hauptelektrode 28 in ohmscher Verbindung im wesentlichen mit der ganzen Oberfläche der oberen Außenschicht 18 mit Ausnahme eines schmalen inneren, in F i g. 6 dargestellten Ringbereiches 18' und mit der Außenfläche der oberen Zwischenschicht 14 mit Ausnahme eines äußeren Ringbereiches und eines um die Steuerelektrodenschicht 24 liegenden Bereiches steht. Eine andere, vorzugsweise aus demselben Material wie die erste Hauptelektrode28 gefertigte zweite Hauptelektrode 30-steht mit der ganzen Oberfläche der gegenüberliegenden Außenseite des Halbleiterplättchens 10 in ohmscher Verbindung. Eine vorzugsweise ebenfalls aus demselben Material wie die erste Hauptelektrode 28 gefertigte Steuerelektrode 32 ist im Mittelpunkt der mit der ersten Hauptelektrode 28 versehenen Außenfläche des Halbleiterplättchens 10 angeordnet. Die Steuerelektrode 32 in der Form einer kreisförmigen Scheibe ist mit einem Radius R₇ ausgebildet; dieser Radius R₇ ist dabei etwas kleiner als der Radius R₃ der Steuerelektrodenschicht 24, wodurch ein ohmscher Kontakt der Steuerelektrode 32 mit der danebenliegenden oberen Zwischenschicht 14 über ein genügend großes Gebiet 14' gewährleistet ist.

Der Thyristor weist im übrigen noch Anschlüsse 34, 36 und 38 auf, welche an den entsprechenden Elektroden 28, 30 und 32 befestigt sind.

In der folgenden Tabelle I sind die Größen der verschiedenen Radien eines Ausführungsbeispiels angegeben, welches zufriedenstellende Resultate bei einem kreisförmigen Halbleiterplättchen 10 aus Silizium mit einem Durchmesser von 23,5 mm und einer Dicke von 280 bis 320 μ ergab.

55 Tabelle I

60

Für eine zufriedenstellende Funktionsweise der Thyristoren muß die durch die Eifiidung bestimmte Anordnung der Steuerelektrodenschicht 28, der ersten Hauptelektrode 28 und der Steuerelektrode 32 genau eingehalten werden. Die Erfindung ermöglicht eine im wesentlichen ideale Lösung, indem alle die genannten

	Ri	R₂	R₃	Radius Ri	9,5	R₆	R₇
Größe in mm	9	1,8	1,5	2,2	4,5	1,25

Schichten bzw. Elektroden des Thyristors konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch die konzentrische Anordnung der Schichten bzw. Elektroden 18, 24, 28 und 32 und des Halbleiterplättchens 10 ergibt sich allein die Notwendigkeit, den Mittelpunkt unabhängig von einer Rotation des Halbleiterplättchens 10 genau festzulegen, so daß die Herstellung derartiger Thyristoren in einfacher Weise erfolgen kann.

Die Funktionsweise des Thyristors soll im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 5, welche eine Vergrößerung der F i g. 4 darstellt und unter Bezugnahme auf F i g. 6, worin ein Teilbereich der Steuerelektrode 32 dargestellt ist, beschrieben werden.

Zuerst sei angenommen, daß die Steuerelektrode 32 in bezug auf die erste Hauptelektrode 28 positiv ist, wobei der Steuerstrom über folgende Pfade von der Steuerelektrode 32 zu der ersten Hauptelektrode 28 fließen kann:

a) über den unter Durchlaßspannung stehenden PN-Übergang J₄, welcher an der Berührfläche zwischen dem Ringbereich 18' der oberen Außenschicht 18 und der Zwischenzone 26 der oberen Zwischenschicht 14 liegt,

b) über einen in F i g. 6 gezeigten Widerstand r₁₍ den die Zwischenzone 26 bildet,

c) über einen Widerstand r₂, den der Teil der oberen Zwischenschicht 14 unterhalb der Steuerelektrodenschicht 24 und der ersten Hauptelektrode 28 bildet und

d) über einen Widerstand /·,, den der unter Sperrspannung stehende PN-Übergang J₅ zwischen der Steuerelektrodenschicht 24 und cer oberen Zwischenschicht 14 bildet.

Der Widerstand r_x, der sehr viel kleiner als die Widerstände r₂ und r₃ ist, liegt —■ entsprechend der Verunreinigungskonzentration, der Dicke und/oder der Breite und Länge der Zwischenzone 26 — in der Größe von einigen Ohm bis mehreren 100 Ohm. Dabei kann der Widerstand T₁ als Parallelwiderstand zu dem in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergang J₁ des Ringbereiches 18' betrachtet werden. Demzufolge ist dieser Widerstand r_x oder der resultierende Widerstand der parallelgeschalteten Widerstände T₁ und r₂ derart, daß sich die folgende Beziehung ergibt:

Ig>

oder

wobei Ig der Steuerstrom und V_v die in der Größe von 0,6 bis 0,8 V liegende Spannung an dem PN-Übergang /₄ des Ringbereiches 18' ist. Unter diesen Umständen injiziert die N-leitende obere Außenschicht 18' über den in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergang J₁ des Ringbereiches 18' Elektronen in die P-leitende obere Zwischenschicht 14, wodurch der Thyristor in seinen leitenden Zustand geschaltet wird.

Es soll nun angenommen werden, daß die Steuerelektrode 32 in bezug auf die erste Hauptelektrode 28 negativ ist. In diesem Fall fließt der Steuerstrom von der ersten Hauptelektrode 28 über folgende Pfade zu der Steuerelektrode 32:

a) über einen Widerstand r₄, den der unter Sperrspannung stehende PN-Übergang /₄ und der Ringbereich 18' bildet,

b) über den bereits erwähnten Widerstand r_lf

c) über den bereits erwähnten Widerstand r₂ und

d) über den unter Durchlaßspannung stehenden

PN-Übergang J₅.

Auch hier ist der Widerstand T₁ sehr viel kleiner als die Widerstände r₂ und r₄, so daß derselbe als Uberbrückungswiderstand des in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergangs J₅ betrachtet werden kann. Da die Steuerelektrode 32 positiv in bezug auf die erste Hauptelektrode 28 ist, ergibt sich wiederum folgende Beziehung:

Ig > ■ oder Ig > V'_D — — ,

wobei VD die zwischen 0,6 und 0,8 V betragende Spannung an dem PN-Übergang J₅ ist. Unter diesen Umständen injiziert die Steuerelektrodenschicht 24 über den PN-Übergang J₅ Elektronen in die obere Zwischenschicht 14. Dies bedingt, daß der Thyristor in seinen leitenden Zustand gelangt.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß durch Wahl des Widerstandes r_x bzw. der resultierenden Größe der Parallelwiderstände r_x und r₂ ein bestimmter, genügend hoher Wert zur Entwicklung einer Durchlaßspannung an dem des PN-Übergang J₁ oder J₅ in dem Gebiet erlaubbarer Steuerströme erreicht werden kann, wobei — unabhängig, ob die Steuerelektrode 32 positiv oder negativ in bezug auf die erste Hauptelektrode 28 ist — der Thyristor in seinen leitenden Zustand gebracht werden kann.

So wie dies durch die gestrichelten Linien A-A und B-B von F i g. 4 dargestellt ist, weist der erfindungsgemäße Thyristor auf beiden Seiten zwischen den beiden Hauptelektroden 28 und 30 je eine aus vier Halbleiterschichten bestehende, in einer Richtung schaltbaren Thyristorstruktur auf, während zwischen den gestrichelten Linien ein mittleres Stück vorhanden ist, das zum Schalten bzw. Zünden einer beliebigen Thyristorstruktur dient.

Um die dv/dt-Eigenschaften und die Einschalteigenschaften des erfindungsgemäßen Thyristors zu verbessern, können gemäß F i g. 7 und 8 die obere und untere Außenschicht 18 bzw. 20 in bekannter Weise mit einer Mehrzahl von Durchbrechungsstellen 40, 42 für den Durchtritt der oberen bzw. unteren Zwischenschicht versehen sein, während die Steuerelektrodenschicht 24 unverändert bleibt.

Claims

Patentansprüche:

1. In zwei Richtungen schaltbarer Thyristor mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper, welcher unter Verwendung einer oberen Außenschicht, einer oberen Zwischenschicht, einer mittleren Zwischenschicht, einer unteren Zwischenschicht und einer unteren Außenschicht aus zwei nebeneinander angeordneten, eine PNPN- bzw. eine NPNP-Schichtenfolge aufweisenden Bereichen besteht und in einem Abstand von der oberen Außenschicht an der oberen Zwischenschicht eine Steuerelektrodenschicht mit einem entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, wobei eine Steuerelektrode in ohmschem Kontakt mit einem Teil der oberen Zwischenschicht und der Steuerelektrodenschicht, eine erste Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einem Teil der oberen Außenschicht und der oberen Zwischenschicht und eine zweite Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einem Teil der unteren Zwischenschicht und der unteren Außenschicht steht, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Außenfläche des Thyristors eine halbringförmige obere Außenschicht (18) und eine einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser der halbringförmigen oberen Außenschicht (18) aufweisende, koaxial zu derselben angeordnete, kreissegmentf örmige Steuerelektrodenschicht (24) aufweist, wobei letztere in bezug auf den Mittelpunkt der koaxialen Anord- Λ nung gegenüberliegend zu der halbringförmigen oberen Außenschicht (18) angeordnet ist, und daß auf dieser oberen Außenfläche des Thyristors koaxial zu den Schichten (18, 24) eine kreisförmige Steuerelektrode (32) mit kleinerem Durchmesser als die kreissegmentförmige Steuerelektrodenschicht (24) und eine ringförmige erste Hauptelektrode (28) mit einem größeren Innendurchmesser als der Innendurchmesser der halbringförmigen oberen Außenschicht (18) angeordnet sind, so daß ein halbringförmiger Bereich (18') der oberen Außenschicht (18) von der ersten Hauptelektrode (28) nicht bedeckt und ein kreissegmentförmiger Bereich (14') der oberen Zwischenschicht (14) von der Steuerelektrode (32) bedeckt ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Außenfläche des Thyristors eine aus zwei Halbkreisen verschiedenen Durchmessers in koaxialer Anordnung zusammengesetzte untere Außenschicht (20) aufweist, wobei der größere Halbkreis dieser unteren Außenschicht Λ (20) in bezug auf die koaxiale Anordnung gegen- ™ überliegend zu der halbringförmigen oberen Außenschicht (18) angeordnet ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Außenschicht (18, 20) in an sich bekannter Weise mit einer Mehrzahl von Durchbrechungsstellen (40, 42) für den Durchtritt der oberen Zwischenschicht versehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen