DE1948155C3 - Thyristor mit Hilfsemitterzone - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit Hilfsemitterzone, bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps mit zwei Hauptelektroden an den gegenüberliegenden parallelen Oberflächen, mit einer Hauptsteuerelektrode an einer der inneren Zonen, wobei die Hilfsemitterzone getrennt von der Emitterzone auf die mit der Hauptsteuerelektrode versehene innere Zone aufgebracht ist und mit einer Hilfsemitterelektrode, die die Hilfsemitterzone und die innere Zone unter Überbrückung des dazwischenliegenden pn-Überganges kontaktiert.

In vielen Anwendungsfällen ist ein Thyristor erforderlich, der eine verhältnismäßig große Stromanstiegsgeschwindigkeit aufweist und auch mit einem niedrigen Steuerelektrodenstrom gezündet werden kann. Zur Vergrößerung der Stromanstiegsgeschwindigkeit bei einem Thyristor ist es bekannt, mehrere Steuerelektrodenverbindungen vorzusehen, so daß eine entsprechende Anzahl von anfänglich leitenden Plasmen erzeugt wird, und zwar über eine beträchtliche Fläche zwischen den Hauptelektroden hinweg.

Bei derartigen Thyristoren muß die Steuerelektroden-Speisequelle eine hinreichende Leistung aufweisen, um den von jeder Steuerelektrode benötigten Steuerstrom zu liefern.

Eine Verringerung dieses Steuerelektrodenstroms ist durch einen Thyristor der eingangs genannten Art (französische Patentschrift 15 30 863) erreicht worden. Bei diesem Thyristor wird bei Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektrode zunächst der durch die Hilfsemitterzone gebildete Hilfsthyristor gezündet, so daß ein starker Strom zwischen der Hilfsemitterzone und der die Anodenelektrode bildenden Hauptsteuerelektrode fließt. Dieser Strom stellt dann den Steuerstrom für den durch die beiden Hauptelektroden gebildeten Hauptthyristor dar. Auf diese Weise läßt sich eine beträchtliche Verringerung des Steuerelektrodenstroms erzielen, doch weist dieser bekannte Thyristor einen komplizierten Aufbau auf, da die Hilfsemitterelektrode, die die Hilfsemitterzone und die innere Zone unter Überbrückung des dazwischenliegenden pn-Überganges kontaktiert, in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet ist, so daß sich eine komplizierte Herstellung ergibt, und weiterhin haben Versuche gezeigt, daß bei derartigen Thyristoren in der Anoden-/Kathodenspannung kurz nach dem Einschalten des Thyristors unregelmäßige Wellenzustände auftreten. Dies stellt einen Versuch des Thyristors dar, das Einschalten durch eine Sperr-EMK zu erschweren. Da die anfängliche Strominjektion auf einer sehr kleinen Fläche erfolgte, wirken die induzierten Spannungsunregelmäßigkeiten in Richtung auf einer Beendigung der lokalisierten Trägerinjektion, was dadurch zu beobachten ist, daß der Steuerelektrodenstrom auf 0 oder darunter abfällt, und zwar zeitlich zusammenfallend mit der beobachteten Spannungsunregelmäßigkeit. Hierdurch wird eine noch kleinere anfänglich eingeschaltete Fläche hervorgerufen, so daß der zu dieser Zeit fließende Anodenstrom gezwungen ist, durch eine derartige begrenzte Fläche zu fließen, was hohe Stromdichten und örtliche hohe Temperaturen zur Folge hat, welche den Ausfall des Thyristors bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art hinsichtlich seines du/dt- und di/df-Verhaltens so auszubilden, daß das Auftreten unregelmäßiger Wellenzustände in der Anoden-Kathodenspannung sowie einer Depression des Hauptsteuerelektrodenstromes kurz nach dem Einschalten des Thristors vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfsemitterelektrode und eine der Hauptelektroden in der gleichen Ebene liegen und aus mit Abstand voneinander angeordneten Segmenten einer Metallscheibe bestehen, und daß mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten der einen Hauptelektrode und der Hilfsemitterelektrode eine fingerartige Struktur aufweist, wobei die Finger der Hauptelektrode den zwischen Emitterzone und innerer Zone gebildeten

pn-Übergang überbrücken.

Durch diese Ausgestaltung des Thyristors ergibt sich einerseits eine sehr einfache Herstellung, weil die Hilfsemitterelektrode und die eine Hauptelektrode in der gleichen Ebene liegen und aus mit Abstand voneinander angeordneten Segmenten einer Metallscheibe bestehen, die in einfacher Weise chemisch oder mechanisch unterteilt werden kann, und es werden weiterhin unregelmäßige Wellenzustände in der Anoden-Kathodenspannung sowie eine Depression des

SS Hauptsteuerstromes kurz nach dem Einschalten des Thyristors vermieden, weil durch die fingerartige Struktur an einer Vielzahl von Punkten längs des pn-Überganges kurzgeschlossene Emitter gebildet werden, während die Teile der Hauptelektrode, die den Emitter nicht kreuzen, als wirksame örtliche Punkte dienen, an denen vor der Zündung des Thyristors eine Vielzahl paralleler Leitplasmen hervorgerufen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl die Hauptelektrode als auch die Hilfsemitterelektrode fingerartige gegenüberliegende Kanten auf, die ineinander verschränkt sind.

Durch diese Ausgestaltung des Thyristors ist es für den Entwickler in einfacher Weise möglich, die

Parameter des Thyristors im Hinbück auf das aildt- und du/dt-Verhalten zu steuern, und zwar einfach durch Festlegung der Ausbildung der fingerartigen Struktur, oeispielsweise durch Vergrößerung der Anzahl der Finger oder durch Verbreiterung oder durch Verengung der Schlitze zwischen den Fingern. Es ist jedoch zweckmäßig, mindestens ungefähr fünf Schlitze zu verwenden, um eine minimale Anzahl von anfangsleitenden Plasmen zu erzeugen, während auch mindestens fünf kurzgeschlossene Zonen zur du/dr-Steuerung verwendet werden. Die fingeratige Struktur ermöglicht die Trägerinjektion von vielen Punkten entlang der Länge der Hauptelektrode zur Hilfsemitterelektrode, so daß überlastete Punkte vermieden werden und gute duftÜ-Kennlinien erreicht werden. _I$

Es sind zwar steuerbare Halbleiterbauelemente bekannt (deutsche Auslegeschrift 12 09 211), bei denen die eine der Hauptelektroden und die Steuerelektrode in einer Ebene angeordnet sind und bei denen die Steuerelektrode an der der Hauptelektrode jeegenüberliegenden Kante eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist; diese Elektroden überbrücken jedoch keinen pn-Obergang. Schließlich ist es bereits bekannt (US-Patentschrift 32 74 460), eine Hauptelektrode zu verwenden, die einen np-Übergang an einer Stelle überbrückt, wodurch die zwischen der Hauptelektrode und der Hauptsteuerelektrode gebildete Diode in ihren Eigenschaften dadurch verschlechtert werden soll, daß die Hauptelektrode eine Widerstandsverbindung zwischen der Hauptelektrodenzone und der Hauptsteuer- elektronenzone herstellt Hierdurch ergibt sich jedoch keine Vielzahl von anfänglichen Leitplasmen, weil diT n-p-Obergang nur an einer einzigen Stelle in einem schmalen Bereich überbrückt ist und keine fingerartige Struktur vorgesehen ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung des Hauptsteuerelektrodenstroms, des Kathodenstroms und der Anoden-/Kathodenspannungskennlinien eines bekannten Thyristors mit einer einzigen Steuerelektrode bei hoher Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms,

F i g. 2 die gleichen Parameter wie in F i g. 1 für einen üblichen Thyristor mit mehreren Steuerelektroden,

Fig.3 elektrische Kennlinien der Ausführungsformen gemäß den Fig.4 bis 6 des Thyristors mit einer Hilfsemitterzone,

Fig.4 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Thyristors,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine abgeänderte Ausfühningsform des Thyristors,

Fig.6 einen Querschnitt längs der Linie 10-10 in Fig.5.

In F i g. 1 sind Schwingungsformen des Anodenstroms, des Steuerelektrodenstroms und der Anoden-Kathodenspannung im Einschaltzeitpunkt für einen typischen Thyristor mit einer einzigen Steuerelektrode gezeigt

Nach einer anfänglichen Verzögerungszeit treten in der Anoden-Kathodenspannung beträchtliche Schwingungen auf und das gleiche ist in vielen Fällen auch bei der Anodenstrom-Anstiegskenniinie der Fall. Noch kennzeichnender ist, daß der Steuerstrom nach der Verzögerungszeit durch eine intern erzeugte Sperrspannung auf 0 gedrückt wird. Diese innere Spannung tritt infolge des hohen inneren Schichtwiderstandes des Halbleitermaterials (wie beispielsweise Silizium) in der Steuerelektroden-/Kathodenzoce auf. Es wurde festgestellt daß dann, wenn der Steuerstrom auf 0 oder — wie in der F i g. 1 gezeigt — unter 0 herabgedrückt wird, der Thyristor in einer Weise ausfallen kann, die als dildt-Ausfall bekannt ist, und der infolge der kleinen obenerwähnten Einschaltfläche auftritt

Um diesen Fehler zu vermeiden, wurden zahlreiche Thyristoren mit mehr als einer Steuerelektrode ausgebildet Derartige Thyristoren haben etwas verbesserte in Fig.2 dargestellte Steuerstromkennliniea Es tritt jedoch auch hier eine weitgehende Steuerelektroden-Aushungerung ein, so daß derartige Thyristoren bei hohen di/d/-Anwendungen nur beschränkt zweckmäßig sind. Weiterhin macht die Verwendung von Mehrfach-Steuerelektroden die Zuführung eines beträchtlichen Steuevelektrodenstroms erforderlich, der bei schnellen Anstiegszeiten normalerweise zwischen 1 und 5 Ampere liegt

Die in den F i g. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen des Thyristors beseitigen die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Depression des Steuerelektrodenstroms und ergeben Kennlinien wie sie in F i g. 3 dargestellt sind, die weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird. Die Abmessungen der in den Fig.4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen des Thyristors sind insbesondere hinsichtlich der Dicke aus Gründen der Klarheit dargestellt und die Ausführungsform gemäß F i g. 4 weist einen nicht dargestellten Querschnittsaufbau auf, der dem gemäß F i g. 6 ähnlich ist

Die Ausführungsformen der Thyristoren weisen ein Halbleiterplättchen 40 auf, das aus monochristallinem Silizium bestehen kann und das einen Durchmesser von beispielsweise 19 mm sowie eine Dicke von ungefähr 0,254 mm aufweist; diese Abmessungen können sich natürlich in Abhängigkeit von der gewünschten Nennleistung des Thyristors ändern. In dem Halbleiterplättchen 40 sind, wie dies aus F i g. 6 zu erkennen ist, pn-Übergänge 41, 42 und 43 in einer für Thyristoren typischen Art ausgebildet wobei diese pn-Übergänge die verschiedenen in F i g. 6 gezeigten p- und n-Zonen trennen. Diese Zonen können durch irgendeines der bekannten Verfahren hergestellt werden.

An der unteren und oberen Zone des Halbleiterplättchens 40 sind in geeigneter Weise Hauptelektroden als Anoden- bzw. Kathodenelektroden angebracht

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform weist der pn-übergang 43 die in F i g. 4 erkennbare im wesentlichen halbkreisförmige Form auf, und es ist eine Hilfsemitterzone 67 mit der aus Fig.4 erkennbaren Gestalt vorgesehen. Mit der Oberseite des Halbleiterplättchens 40 ist ein im wesentlichen halbkreisförmiger Aluminiumkontakt 60 verbunden, der den rechten Teil des an der Oberfläche des Halbleiterplättchens 40 endenden pn-Überganges 43 überlappt Weiterhin ist über dem pn-Übergang 67 ein Aluminiumstreifen 64 angebracht der als Hilfsemitterelektrode und damit als Hilfssteuerelektrode für die Hauptkathodenzone dient, die unter der Hauptelektrode 60 liegt Weiterhin weist der Thyristor gemäß F i g. 4 eine Hauptsteuerelektrode 48 auf.

Die Hauptelektrode 60 weist herausragende Finger 61,62,63 auf, die den linken Teil des pn-Überganges 43 überbrücken, und diese Finger sind mit Fingern 65 und 66 ihr Hilfsemitterelektrode 64 verschränkt. Die verschränkte Anordnung ermöglicht die Verwendung einer relativ großen Hauptelektrodenfläche für eine gegebene Größe des Siliziumplättchens, so daß ein

relativ hoher möglicher Betriebsstrom erreicht wird. Die in F i g. 4 gezeigte Ausführungsform des Thyristors wurde einem Standard-d^df-Schalttest unterworfen, und zwar bei einer Gehäusetemperatur von ungefähr 65°C, einer Anoden-Kathodenspannung von ungefähr 700 V und bei Frequenzen, die sich zwischen 400 bis 5000 Hz änderten. Die Vorrichtung wurde auch mit einer Folgefrequenz von 75 Hz bei höheren di/dt-Bedingungen geprüft und widerstand Stromanstiegsgeschwindigkeiten bis zu 1400 Ampere pro Mikrosekunde.

Die elektrischen Kennlinien einer derartigen Ausführungsform des Thyristors sind in F i g. 3 dargestellt Aus F i g. 3 ist zu erkennen, daß am Ende der Verzögerungsperiode und bei Beginn des Abfalls der Anoden-Kathodenspannung ein fortgesetzter Anstieg des Hauptsteuereleklrodenstromes vorliegt und nicht, wie in den F i g. 1 und 2, ein Abfall. Dieser Anstieg des Hauptsteuerelektrodenstromes ist eine Funktion des leitenden Anstiegs des Anodenstroms, der seinerseits die Spannung erzeugt, die die Hilfsemitterelektrode erregt. Dieser Vorgang versteuert die d/7di-Kennlinien der Hauptkathode und vermindert die Gefahr eines d/7df-Ausfalls des Thyristors. Weiterhin bestimmt die Größe und die Anstiegszeit des Stroms der Hauptsteuerelektrode nicht mehr die d/7d/-Eigenschaften des Thyristors.

Die in den F i g. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform des Thyristors weist eine die Hauptkathodenelektrode bildende Hauptelektrode 80 auf, die mit einer Hilfsemitterelektrode 81 zusammenwirkt, die in dem in F i g. 5 dargestellten Fall eine der Hauptkathodenelektrode 80 gegenüberliegende geradlinige Kante aufweist. Die Hilfsemitterelektrode 81 überdeckt, wie in Fig.4 den p-n-Übergang 44 während die Hauptkathodenelektrode 80 ebenfalls wie in F i g. 8 an der Oberseite der Haupt-n-Zone angeordnet ist. Der gegenüber der Hilfsemitterelektrode 81 liegende Teil der Hauptkathodenelektrode 80 ist in Fig. 5 mit einer Vielzahl von Schlitzen 82 versehen, die die fingerartige Struktur bilden, wobei sich die Finger über die Kante des pn-Überganges 43 hinwegerslreckt, wie dies aus den F i g. 5 und 6 zu erkennen ist.

In dem speziellen Ausführungsbeispiel der F i g. 5 und 6 kann die Schlitzbreite 0,635 mm und die Breite der Finger 1.27 mm betragen. Die Länge jedes Fingers und somit die Tiefe der Schlitze kann beispielsweise 0,9 mm betragen. Der Durchmesser des Halbleiterplättchens 40 kann bei etwa 18 mm liegen. Die Hauptkathodenelektrode 80 und die Hilfsemitterelektrode 81 können ebenso wie die entsprechenden Elektroden in Fig.4 einen Durchmesser von etwa 11 mm aufweisen und aus mit Abstand voneinander angeordneten Segmenten einer einzigen Metallscheibe mit einem Durchmesser von beispielsweise 11 mm bestehen. Der zwischen den Elektroden gebildete Spalt kann eine Breite von 0,75 mm aufweisen. Die Hilfsemitterelektrode 81 überlappt die linke geradlinige Kante des pn-Überganges 44 um 0,254 mm während die Finger der Hauptkathodenelektrode 80 die rechte Kante des pn-Überganges 43 um 0,0127 mm überlappen.

Wenn die d/7df-Eigenschaften des Thyristors verbessert werden sollen, und zwar zu Lasten der Fähigkeit des Thyristors, dem du/dt in Durchlaßrichtung zu widerstehen, so kann eine größere Schlitzbreite verwendet werden. Wenn andererseits die du/di-Kennlinie zu Lasten der d/7df-Kennlinie verbessert werden soll, so kann die Anzahl der Schlitze vergrößert oder die Schlitzbreite verringert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit Hilfsemitterzone, bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps mit zwei Hauptelektroden an den gegenüberliegenden parallelen Oberflächen, mit einer Hauptsteuerelektrode an einer der inneren Zonen, wobei die Hilfsemitterzone getrennt von der Emitterzone auf die mit der Hauptsteuerelektrode versehene innere Zone aufgebracht ist und mit einer Hilfsemitterelektrode, die die Hilfsemitterzone und die innere Zone unter Überbrückung des dazwischenliegenden pn-Überganges kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterelektrode (81, 64) und eine der Hauptelektroden (60,80) in der gleichen Ebene liegen und aus mit Abstand voneinander angeordneten Segmenten einer Metallscheibe bestehen und daß mindestens eine der gegenüberliegenden Kanten der einen Hauptelektrode und der Hilfsemitterelektrode eine fingerartige Struktur (61 bis 66, 82) aufweist, wobei die Finger der Hauptelektrode den zwischen Emitterzone und innerer Zone gebildeten pn-Übergang überbrücken.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die eine Hauptelektrode (60) als auch die Hilfsemitterelektrode (64) fingerartige gegenüberliegende Kanten (61 bis 63, 65, 66) aufweisen, die ineinander verschränkt sind.