DE2107566C3

DE2107566C3 - Thyristor

Info

Publication number: DE2107566C3
Application number: DE19712107566
Authority: DE
Inventors: Per Dipl.-Ing. Vaellingby Svedberg (Schweden)
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1970-02-24
Filing date: 1971-02-17
Publication date: 1979-12-13
Also published as: GB1330561A; DE2107566B2; SE335178B; DE2107566A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit einer im

ίο wesentlichen ebenen Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe, gerechnet von einer Seite der Halbleiterscheibe zur anderen, der Reihe nach aus einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Schicht mit abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit besteht, diese Schichten zwischen sich drei PN-Übergänge bilden, die im wesentlichen eben und parallel zu den beiden ebenen Seiten der Halbleiterscheibe sind, je eine Kontaktelektrode für den Belastungsstrom auf beiden ebenen Seiten der HaIbleiterscheibe in Kontakt mit der ersten und der vierten Schicht angeordnet ist, der PN-Übergang zwischen der zweiten und der dritten Schicht einen kleinen Teil hat, der der ebenen Oberseite der Halbleiterscheibe näher liegt als der Hauptteil des PN-Übergangs, und die vierte Schicht einen zu diesem kleineren Teil des PN-Übergangs zwischen der zweiten und der dritten Schicht benachbarten Teil aufweist, den die sie kontaktierende Kontaktelektrode nicht kontaktiert. Ein solcher Thyristoraufbau ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 14 89 937 bekannt. Hierbei liegen die verdickten Zonen an der Peripherie der Halbleiterschicht. Zweck dieser Verdickung ist es, die Oberflächendurchbruchspannung in Sperrichtung auf einen Wert zu erhöhen, der größer ist als die Lawinendurch-

»5 bruchspannung im Inneren des Halbleiterkörpers.

Bei einer gewissen positiven Sperrspannung über dem Thyristor geht dieser von Sperr- in Durchlaßzustand über, auch wenn ihm kein Steuersignal gegeben wird. Diese als Selbstzündung bezeichnete Erscheinung

■to hat oft zur Folge, daß der Thyristor beschädigt oder total zerstört wird. Da ein Thyristor in seinem ganzen Querschnitt nicht vollständig homogen ist, wird also immer irgendein Punkt eine niedrigere kritische Sperrspannung haben als die übrigen, und an diesem Punkt die Selbstzündung beginnen, um sich danach seitwärts auszubreiten. Wenn der am Thyristor angeschlossene äußere Kreis eine hohe Zunahmegeschwindigkeit des Belastungsstroms zuläßt, kann die Stromdichte in dem zuerst gezündeten Kanal so groß werden, daß der Thyristor dort durch Erwärmung zerstört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Gefahr für Schaden am Thyristor durch Selbstzündung wesentlich vermindert oder ganz ver-

5¹I mieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Thyristor der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der kleine, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegende Teil des PN-Über-

M) gangs zwischen der zweiten und der dritten Schicht zentral in der Halbleiterscheibe angeordnet ist und der nicht kontaktierte Teil der vierten Schicht zu diesem kleineren Teil des PN-Übergangs zwischen der zweiten und der dritten Schicht konzentrisch liegt.

^h'' Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt längs eines Durchmessers durch einen erfindungsgemäßen Thyristor.

Der Thyristor ist kreissymmetrisch. Auf einer Trägerplatte 1, die auch als Anode dient, liegt eine Siliziumseheibe, die aus den Schichten 2 bis 5 besteht, nämlich einer P-Emittersehicht 2, einer N-Basisschicht 3, einer P-Basisschicht 4 und einer N-Emitterschicht 5. Auf s der letzten ist eine ringförmige Kontaktelektrode 6, die als Kathode dient, angebracht

Die N-Basisschicht 3 ist wesentlich dicker und schwächer dotiert als die P-Basisschicht 4. Im Sperrzustand sperrt der PN-Übergang 7 zwischen diesen beiden Schichten, und es entsteht ein verbreiteter, an Ladungsträgern verarmter Bereich auf beiden Seiten des PN-Übergangs; über diesem Bereich liegt die ganze Sperrspannung. Innerhalb dieses Verarmungsbereiches ist die Feldstärke abweichend von Null und am größten am PN-Übergang. Die Selbstzündung erfolgt gewöhnlich durch lawinenartigen Durchbruch, d. h. die Feldstärke wird so groß, daß die Ladungsträgermultiplikation und damit der Strom durch Stoßionisierung lawinenartig zunimmt.

Bei dem in der Figur gezeigten Thyristor hat der PN-Übergang 7 einen zentral gelegenen kleinen kreisförmigen Teil 7', der der ebenen Oberseite der Halbleiterscheibe näher liegt als der restliche PN-Übergang. Zwischen diesem erhöht liegendem Teil T und dem Hauptteil des PN-Übergangs 7 befindet sich ein gekrümmter Teil 7". Auf Grund der Krümmung wird die elektrische Feldstärke größer am Teil 7" als am ebenen Teil des PN-Übergangs 7. Bei zunehmender Sperrspannung geschieht daher der Lawinendurchbruch immer am Teil 7". Der Belastungsstrom wird im ersten Augenblick nach dem Durchbruch durch einen schmalen Kanal von der Anode über den Punkt des gekrümmten Teiles, an dem der Durchbruch erfolgt ist, zu dem Teil der Emitterschicht 5, die dem genannten -S5 Punkt am nächsten liegt, d. h. einem Teil der inneren Abgrenzungslinie dieser ringförmigen Schicht, fließen. Von dort fließt der Strom seitwärts durch die Schicht 5 zu der Kontaktelektrode 6. Der Schichtwiderstand des vor der Kontaktelektrode 6 liegenden Teils der Emitterschicht 5 ist so gewählt, daß er den Strom auf einen ausreichend niedrigen Wert begrenzt, um eine schädliche Erwärmung des zuerst gezündeten Kanals zu vermeiden. Nach dem ersten Durchbruch setzt sich die Zündung seitwärts fort, und die Querschnittsfläche des leitenden Kanals nimmt zu. Im gleichen Takt wie sich die Zündung der Kontaktelektrode 6 nähert, nimmt der strombegrenzende Effekt des Schichtwiderstands des vor der Kontaktelektrode 6 gelegenen Teils der Emitterschicht 5 ab.

Dadurch, daß der im Sperrzustand sperrende PN-Übergang einen Teil hat, an dem auf Grund der Krümmung der PN-Übergangsfläche die Feldstärke größer ist als am PN-Übergang im übrigen, wird sichergestellt, daß bei Selbstzündung der Lawinendurchbruch immer dort und nicht irgendwo anders erfolgt. Dadurch, daß die diesem Teil nächstgelegene N-Emitterschicht des Thyristors einen nichtkontaktierten Teil mit zweckmäßigen Schichtwiderstand hat, wird der Strom im ersten Teil des Zündverlaufs begrenzt, und *>" die Gefahr von Schaden auf Grund einer Selbstzündung kann so verringert oder eliminiert werden.

Die normale Zündung des Thyristors geschieht zweckmäßigerweise durch eine am zentralen Teil der P-Basisschicht 4 angeschlossene Steuerelektrode 8, Alternativ kann der zentrale Teil des Thyristors zwecks Zündung auf bekannte Weise mit einem Lichtimpuls bestrahlt werden. In beiden Fällen beginnt die gesteuerte Zündung in demselben Teil des Thyristors wie die Selbstzündung, und der strombegrenzende Effekt des Schichtwiderstands der Emitterschicht 5 wird damit auch für die Begrenzung der Stromzunahmegeschwindigkeit bei gesteuerter Zündung ausgenutzt.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Thyristors gemäß der Erfindung betrug der Durchmesser der Siliziumseheibe 30 mm, der Durchmesser des erhöhten Teiles T 2,5 mm und der Innendurchmesser der Kathode 6 6 bis 7 mm. Die Dicke des ebenen Hauptteiles der N-Basisschicht 4 war 500 μιη, die der P-Basisschieht 4 110 μιη, und die der N-Emitterschicht 5 65 μπι. Der Abstand zwischen den maiden Ebenen, an denen der Hauptteil des PN-Übergang.^ 7 bzw. der erhöhte Teil T liegt, war etwa 35 μπι.

Bei der Herstellung des Thyristors ging man von einer Scheibe schwach N-dotierten Siliziums aus. Die eine Seite d-;- Siliziumseheibe wurde um 35 μιη heruntergeätzt, mit Ausnahme einer zentral gelegenen kreisförmigen Fläche mit einem Durchmesser von 2,5 mm. Danach wurde auf beiden Seiten der Siliziumseheibe Gallium eiiidiffundiert, wobei die P-Schicht 2 und 4 erzeugt wurden und der PN-Übergang 7 seinen erhöhten Teil T erhielt. Danach wurde eine ringförmige Gold-Antimonfolie mit einem Innendurchmesser von 2,5 mm auf der Kathodenseite des Thyristors einlegiert, wobei die N-Emitterschicht 5 zusammen mit einer darüberliegenden Metallschicht (Kathode) gebildet wurde. Der innere Teil dieser Metallschicht wurde ausgeätzv, so daß die Kathode 6 einen Innendurchmesser von 7 mm erhielt. Die Trägerplatte 1 aus Molybdän wurde ai; der Anodenseite des Thyristors festgelötet, zum Schluß wurde die Steuerelektrode 8 auf dem zentralen Teil der P-Schicht 4 angebracht.

Es erwies sich als wichtig, daß der erhöhte Teil T sich nicht zu wenig in seitlicher Richtung erstreck·, da sonst die Felddeformation und damit die örtliche Zunahme der Feldstärke an dem gekrümmten Teil 7" zu klein wird, um eine sichere Lokalisierung des Lawinendurchbruches an dem Teil 7" zu gewährleisten.

Aus demselben Grund muß der Teil T eine gewisse Höhe über dem Hauptteil des PN-Überganges 7 liegen. Es hat sich gezeigt, daß die Erhöhung 5% der Dicke der N-Basisschicht 3 nicht unterschreiten sollte. Mit dem beschriebenen Thyristor erhielt man gute Resultate bei Wert .n /on 25 bis 50 μπι Erhöhung.

Auf der anderen Seite sollte der erhöhte Teil T n'cht höher sein als für eine sichere Lokalisierung des Lawinendurchbruches erforderlich ist, da die kritische Sperrspannung des Thyristors sonst unnötig weit gesenkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einer im wesentlichen ebenen Halbleiterscheibe, wobei die Halbleiterscheibe, gerechnet von einer Seite der Halbleiterscheibe zur anderen, der Reihe nach aus einer ersten, einer zweiten, einer dritten und einer vierten Schicht mit abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit besteht, diese Schichten zwischen sich drei PN-Übergänge bilden, die im wesentlichen eben und parallel zu den beiden ebenen Seiten der Halbleiterscheibe sind, je eine Kontaktelektrode für den Belastungsstrom auf beiden ebenen Seiten der Halbleiterscheibe in Kontakt mit der ersten und der vierten Schicht angeordnet ist, der PN-Übergang (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht einen kleinen Teil (7') hat, der der ebenen Oberseite der Halbleiterscheibe näher liegt als der Hauptteil des PN-Überganges (7), und die vierte Schicht (5) einen zu diesem kleinen Teil (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten und der dritten Schicht benachbarten Teil aufweist, den die sie kontaktierende Kontaktelektrode (6) nicht kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegende Teil (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht zentral in der Halbleiterscheibe angeordnet ist und der nicht kontaktierte Teil der vierten Schicht (5) zu diesem kleinen Teil (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) i:--.d der dritten (4) Schicht konzentrisch liegt.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine, d=r Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegende Teil (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht und/oder der nicht kontaktierte Teil der vierten Schicht (5) kreisförmig sind.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht (5) über dem kleinen, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegenden Teil (7') zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht mit einer öffnung versehen ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektrode zum Zünden des Thyristors an der dritten Schicht (4) oberhalb des kleinen, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegenden Teiles (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht angeschlossen ist.

5. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, der zwischen zwei äußeren Schichten (5, 2) eine schwächer und eine stärker dotierte Basisschicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schicht (4) die stärker und die zweite Schicht (3) die schwächer dotierte Basisschicht ist.

6. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem kleinen, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegenden Teil (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht und der Ebene, in der der Hauptteil des PN-Übcrgangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht liegt, zwischen 5 und 10% der Dicke des Haupttciles der zweiten Schicht (3) ausmacht.

7. Thyristor nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Fläche des kleinen, der Oberseite der Halbleiterscheibe näherliegenden Teiles (7') des PN-Übergangs (7) zwischen der zweiten (3) und der dritten (4) Schicht zwischen 1 und 10 mm² beträgt.