DE2109508C2 - Thyristor - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch eine Ballastzone (130,132) im Bereich des ersten (124) und/oder zweiten (128) Abschnitts der ersten Basisschicht (108), die ein keine Ladung injizierender Teil der ersten Emitterschicht (106) ist und für den Strom beim Einschalten einen verlängerten seitlichen Strömungspfad erzwingt.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballastzone einen ersten Teil (130) zwischen der Steuerelektrode (140) und dem Hilfsteil (J 20) und einen zweiten Teil (132) zwischen und im Abstand vom leitenden Element (138) und dem Hauptteil (118) aufweist, wobei beide Teile diffundiert sind.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (140) einen leitenden Abschnitt (142) einschließt, der eine Kante des pn-Überganges zwischen der im Bereich des ersten Abschnitts (124) der ersten Basisschicht (108) gelegenen Ballastzone (130) und dem genannten ersten Abschnitt überbrückt.

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Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit

I. vier Schichten mit abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, wobei diese Schichten einschließen:

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1. eine erste Emitterschicht mit einem Haupt teil und einem im seitlichen Abstand hierzu angeordneten Hilfsteil,

2. eine erste Basisschicht benachbart der ersten Emitterschicht, wobei die erste Basisschicht einen ersten Abschnitt, der durch den Hilfsteil von dem Hauptteil getrennt ist,

einen zweiten Abschnitt, der zwischen dem Hilfsteil und dem Hauptteil angeordnet ist und übrige Abschnitte aufweist, die integral mit dem ersten und zweiten Abschnitt den Hilfsteil und Hauptteil abdecken, und

3. eine zweite Eraitterschicht,

II. und weiter eine Steuerelektrode, die mit dem ersten Abschnitt der ersten Basisschicht verbunden ist, einem ersten und einem zweiten Hauptkontakt, die mit dem Hauptteil der ersten Emitterschicht und der zweiten Emitterschicht verbunden sind, und

einem leitenden Element, das eine Brücke vom Kiifsiei! zum zweiten Abschnitt der ersten Basisschicht bildet.

Ein Thyristor der vorgenannten Art ist in der Zeitschrift »Electro-Technolog« vom Juni 1969, Seite 31, beschrieben.

In der DE-OS i4 89 931 ist ebenfalls ein Thyristor beschrieben, der vier Schichten mit abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp aufweist die eine erste Emitterschicht, eine erste Basisschicht benachbart der ersten Emitterschicht und eine zweite Ernitterschicht einschließen. Um die zugrunde liegende Aufgabe die maximal verarbeitbare Strömungsgeschwindigkeit d/Vdf des Thyristors zu erhöhen, zu lösen, ist die erste Emitterschicht aus zwei diskreten, seitlich aneinandergrenzenden Teilen, dem Hauptgebiet A und dem Nebengebiet B zusammengesetzt. Das Nebengebiet B bildet eine injizierende Emitterzone.

Diese bekannten Thyris-toren <. *isen zwar erhöhte Stromänderungsgeschwindigkeiten d/.'dr auf. doch sind für manche Anwendungen noch höhere d/7d/ erforderlich, die ohne Beschädigung des Elementes verarbeitet werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs definierten Thyristor dahingehend zu verbessern, daß er den Strom beim Einschalten schneller verteilt und er so auf hervorragende Weise gegen lokalisierte große Stromdichten geschützt ist. die durch eine lokalisierte Überhitzung eine Zerstörung des Bauelementes herrufen können. Weiter soll dieser Thyristor in der Lage sein, den Stromfluß zu begrenzen, der das Bauelement abzuschalten versucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Ballastzone im Bereich des ersten und/oder zweiten Abschnitts der ersten Basisschicht, die ein keine Ladung injizierender Teil der ersten Emitterschicht ist und für den Strom beim Einschalten einen verlängerten seitlichen Strömungspfad erzwingt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Ballastzone einen ersten Teil zwischen der Steuerelektrode und dem Hilfsteil und einen zweiten Teil zwischen und im Abstand vom leitenden Element und dem Hauptteil auf, wobei beide Teile diffundiert sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsfonii schließt die Steuerelektrode einen leitenden Abschnitt ein, der eine Kante des pn-Übcrgangs zwischen der im Bereich des ersten Abschnittes der ersten Basisschicht gelegenen Ballastzone und dem genannten ersten Ab-

schnitt überbrückt

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors,

Fig.2 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des erfifidungsgemäßen Thyristors, bei dem er zusammen mit einer Steuerelektrode, weiteren Elektroden und einer leitenden Schicht gezeigt ist und

Fig.3 eine schematisebe Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 3-3 in F i g. 2, die zusätzlich eine obere Stützplatte und einen dielektrischen Abstandshalter zeigt, die in F i g. 2 weggelassen sind.

Die in der Zeichnung gezeigten Schnittbilder sind mit einer s«ark vergrößerten Dicke im Vergleich zur Breite dargestellt, um die strukturellen Merkmale der Ausführungsformen besser darstellen zu können. Die Schnittlinien sind in den Thyristoren weggelassen, damit sie die zeichnerischen Darstellungen nicht stören.

In F i g. 1 ist ein Thyristor 100, mit einem Halbleiterkörper, der aus monokristallinem Silizium bestehen kann, mit einer ersten Hauptfläche 102 und einer zweiten Hauptfläche 104 dargestellt Der Thyristor wird von vier der Reihe nach angeordneten Schichten gebildet, die sich zwischen den gegenüberliegenden Hauptflächen erstrecken. Eine erste Emitterschicht 106 liegt neben der ersten Hauptfläche. Dieser ersten Emitterschicht benachbart ist eine erste Basisschicht 108, von der sich Teile bis zur ersten Hauptfläche erstrecker. Eine zweite Basisschicht 110 liegt neben der ersten Basisschicht, und eine zweite Emitterschicht 112 liegt zwischen der zweiten Basisschicht 110 und der zweiten Hauptfläche 104. Die einander benachbarten Schichten weisen jeweils einen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyp auf, so daß zwischen ihnen pn-Obergänge vorhanden sind. Auf diese Weise wird ein Emitterübergang 114 zwischen der zweiten Emitter- und Basisschicht und ein Basisübergang 316 zwischen den Basisschichten gebildet

Die erste Emitterschicht ist seitlich durch Abschnitte der ersten Basisschicht unterteilt, so daß zwischen diesen Schichten zahlreiche, funktionell unabhängige pn-Übergänge vorhanden sind. Die ?rste Emitterschicht weist einen Hauptteil 118 und ein Hilfsteil 120 auf, dis seitlich beabstandet sind. Die erste Basisschicht umfaßt als einen übrigen Abschnitt einen Hauptabschnitt 122, der unter dem Hauptteil der ersten Emitterschicht liegt und als ersten Abschnitt einen Hilfsabschnitt Ϊ24, der unter dem Hilfsteil liegt Als weiterer übriger Abschnitt liegt ein Steuerabschnitt 126 innerhalb des Hilfsteiles, während sich ein Seitenabschnitt 128 als zweiter Abschnitt zwischen dem Haupt- und Hilfsteil erstreckt Eine erste diffundierte Ballastzone 130 der ersten Emitterschicht ist so gebildet, daß sie bezüglich des Hilfsteiles innen liegt. Eine zweite diffundierte Ballastzone 132 der ersten Emitterschicht ist der Seitenzone zwischen dem Haupt- und Hilfsteil zugeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist jeder Teil der ersten Emitterschicht in der Konfiguration kreisförmig und konzentrisch angeordnet.

Ein erster Hauptkontakt 134 ist leitend mit dem Hauptteil 118 der ersten Emitterschicht verbunden. Ein zweiter Hauptkoniakt 136 steht mit der zweiten Haupifläche 104 der zweiten Emitterschicht 112 leitend in Verbindung. Über einem Außenabschnitt des Hilfsteile liegt ein leitendes Element 138, das sich seitlich nach außen über dieses hinaus erstreckt und rait dem Seitenabschnitt 178 der ersten Basisschicht leitend verbunden ist. Dieses leitende Element 138 hat aber innen noch einen seitlichen Abstand zu der zweiten diffundierten Ballastzone 13Z Die Steuerelektrode 140 ist durch den leitenden Abschnitt 142 mit einem Mittelteil des Steuerabschnittes 126 an der ersten Hauptfläche 102 verbunden, und erstreckt sich soweit nach außen, daß sie über den Innenrand der ersten diffundierten Ballastzone 130 reicht

Aus einer Betrachtung der pn-Übergänge zwischen der ersten Emitter- und Basisschicht wird deutlich, daß der leitende Abschnitt 142 den Innenrand des ersten Ballastüberganges 144 kurzschließt, der zwischen der ersten Ballastzone 130 und dem Steuerabschnitt 126 gebildet ist Gleichzeitig schließt das leitende Element 138 den Außenrand des Hilfs-Emitterüberganges 146 kurz, der zwischen dem Hilfsteil 120 und der ersten Basisschicht gebildet ist Der zweite Ballastübergang 148, der durch die zweite Ballastzone 137. ^ind den Seitenabschnitt 128 gebildet wird, ist nicht kurzgeschlossen. Der erste Hauptkontakt kann in bekannter Weise mit dem Hauptabschnitt 122 der ersten Basisschicht 108 kurzgeschlossen sein, aber der Haupt-Emitterübergang 150, derdri-ch das Hauptteil 118 und den Hauptabschnitt 122 gebildet wird, ist vorzugsweise in der Nähe seines Innenumfangs nicht durch den ersten Hauptkontakt kurzgeschlossen. Obwohl der erste Hauptkontakt 134 mit der gleichen Ausdehnung wie die ertie Emitterschicht dargestellt ist, wird in der Praxis dieser erste Hauptkontakt mit seinem Innenrand mit einem geringen Abstand außen vom Innenrand der ersten Emitterschicht angeordnet Obgleich der Einfachheit halber der leitende Abschnitt 142, das leitende Element 138 und der erste und der zweite Hauptkontakt 134 und 136 als aus gleichförmigen Metallschichten bestehend dargestellt sind, sei doch darauf hingewiesen, daß diese leitenden Elemente auch einer oder mehreren Schichten aus gleichen oder unähnlichen Metallen hergestellt sein können, wie es in der Technik allgemein bekannt ist. Vorteilhafterweise werden diese leitenden Elemente aufplattiert oder auf andere Weise direkt mit den gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterelementes verbunden, bevor die übrigen Elemente des Thyristors hinzugefügt werden, so daß diese leitenden Elemente eine nur eine geringe Impedanz aufweisende Grenzfläche mit dem Halbleiterelement bilden.

Mit dem ersten bzw. zweiten Hauptkontakt werden eine erste bzw. zweite Stützplatte 152 und 154 verbunden. Diese Stützplatten sind mit der gleichen seitlichen Ausdehnung dargestellt wie die Hauptkontakte. Wenn der Halbleiterkörper aus einem Siliziumkristall besteht, wir« \orteilhafterweise ein Metall, wie z. B. Wolfram, Molybdän, Fernico. Kovar oder Tantal verwendet, das einen thermischer Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 1 · 10-VK-¹ oder was noch besser ist, weniger als 0,5 · 10-VK-' aufweist. Eine oder beide Stützplatten können direkt mit den Ha'iptkontakten verbunden oder diesen ohne eine direkte Bindung nur physikalisch zugeordnet werden. Die äußeren Hauptflächen der Stützplatten können mit einer kaltverformbarjn leitenden Metallschicht oder einer Vorform, wie z. B. Silber oder Gold, in Verbindung stehen, wobei die Stützplatte mit einem Anschlrß- bzw. Klemmenteil zusammenwirken soll.

Zwischen der oberen Stützplatte 152 ^lind der Steuerelektrode 140 ist ein dielektrischer Ab^standhal!er 156 dargestellt. Dieser Abstandhalter stellt sicher, daß die

gezeigte relative Lage der Stützplaite und des Gateleilers aufrechterhalten bleibt. Zusätzlich schützt der Abstandshalter die zweite diffundierte Ballastzone 132 davor, mit dem leitenden Element oder Kontakten der Vorrichtung in Berührung zu kommen.

Der Aufbau des in F i g. I gezeigten Thyristors kann nach bekannten Techniken erfolgen. Typischerweise werden die Schichten des Thyristors dadurch gebildet, daß von einem Siliziumkristall ausgegangen wird, der durch und durch den Leitungstyp der zweiten Basisschicht aufweist. Die erste Basis- und die zweite Emitterschicht können dann dadurch gebildet werden, daß von den gegenüberliegenden Hauptflächen aus ein Fremdstoff in den Kristall eindiffundiert wird, der den entgegengesetzten Leitungstyp zu demjenigen der zweiten Basisschicht besitzt. Auf diese Weise werden der Emitterübergang 114 und der Basisübergang 116 gebildet. Es ist auch wichtig darauf hinzuweisen, daß in diesem Falle der Widerstand der ersten Basisschicht von der ersten Hauptfläche aus in Richtung auf den Basisübergang hin ansteigt. Die unterteilte erste Emitterschicht 106 kann durch geeignete Maskierung der ersten Hauptfläche und durch gleichzeitige Herstellung aller Teile gebildet werden. Haupt- und Hilfsteil können entweder durch Diffusions- oder Legierungsverfahren hergestellt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, die Ballastzone durch Diffusion zu bilden. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Gleichförmigkeit und die Tiefe der diffundierten Übergänge mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können. Dies gestattet eine enge Steuerung des Widerstands für den Stromfluß der durch die entsprechenden Abschnitte der ersten Basisschicht infolge der Verengung ihrer Breite in der Nähe der Ballastzonen hervorgerufen wird Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert sein kann, getrennte Diffusionen vorzunehmen, um die verschiedenen Teile der ersten Tiefe versehen werden, die für die Funktion, die es auszuüben hat. optimal ist. Es ist besonders wichtig, daß die zweite Ballastzone 132 der in F i g. t gezeigten Ausführungsform durch Diffusion gebildet wird, denn wenn diese zweite Ballastzone eine Oberflächenschicht mit einem sehr geringen Widerstand aufweist, kann sichergestellt werden, daß dieses Segment während des Betriebs des gesamten Bauteiles passiv bleibt, wie es angestrebt wird. Der mit der ersten Ballastzone 130 verbundene leitende Abschnitt 142 verhindert auf wirksame Weise eine Ladungsinjektion durch diese Zone, sei sie nun durch Diffusions- oder Legierungstechniken gebildet. Wo aber die Metallisierung einen Innenabstand vom Innenrand der inneren Ballastzone aufweist sollte diese Zone durch Diffusion hergestellt sein, um sicherzustellen, daß sie unter üblichen Betriebsbedingungen passiv bleibt. Die obige Beschreibung von Herstellungsverfahren ist allein als Angabe von Beispielen gedacht, da zu berücksichtigen ist, daß in der Technik verschiedene Verfahren zur Schichtbildung bekannt sind, die ebenfalls auf einfache Weise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Thyristors verwendbar sind.

Die Wirkungsweise des in F i g. 1 gezeigten Thyristors wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, in dem die erste Emitterschicht n-leitend und die zweite Emitterschicht p-leitend ist Diese Beziehung der Emitterschichten könnte selbstverständlich auch umgekehrt werden, ohne daß die Anwendbarkeit der Erfindung in der Sache beeinflußt würde.

Wenn an den ersten Hauptkontakt 134 ein im Vergleich zum zweiten Hauptkontakt 136 positives Potential angelegt wird, befindet sich der Thyristor im Sperrzustand, und es fließt kein Strom durch das Halbleiterelement, da der Emiuerübergang 114 in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn das angelegte Potentini umgekehrt wird, so daß der zweite Hauptkoniakt 136 positiv ist in s bezug auf den ersten Haupikontakt dann bleibt das Halbleiterelement, obwohl in Durchlaßrichtung vorgespannt, nicht leitend, so lange ein Steuersignal fehlt, da der Basisübergang 116 in diesem Falle in Sperrichtung vorgespannt ist und einen Stromfluß über diesen Übergang verhindert.

Wenn das Bauteil in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann es leicht von seinem stromsperrenden oder eine hohe Impedanz aufweisenden Zustand in seinen leitenden oder eine geringe Impedanz aufweisenden Zustand umgeschaltet werden, indem einfach die Steuerelektrode 140 bezüglich des ersten Hauptkontaktes positiv vorgespannt wird. Daraufhin fließt ein Strom von der Steuerelektrode zum ersten Hauptkontakt. Der Strom fließt von dem leitenden Abschnitt S42 innerhalb der erster!

Ballastzone 130 über den Steuerabschnitt 126 und unter der ersten Ballastzone hinweg nach außen zum Innenumfang des Hilfsteiles 120. Von dem Hilfsteil fließt der Strom Ober das leitende Element 138 nach außen, so daß der HilfsÜbergang 146 überbrückt ist. Dann fließt der Strom von dem leitenden Element über den Seitenabschnitt 128 unter der zweiten Ballastzone 148 hinweg zum Innenrand des Hauptteils 118. Schließlich fließt der Strorf» vom Innenrand des Hauptsegments zum ersten Hauptkontakt 134.

Der Stromfluß über das Hilfsteil 120 erzeugt einen Potentialgradienün quer übei dieses Teil, der dazu führt, daß Elektronen von dem Hilfsteil entlang des Innenrandes des HilfsÜbergangs 146 in die erste Basisschicht 108 injiziert werden. Dies führt zu einem Zusammenbruch der Verarmungszone, die sich unmittelbar unter dem Basisübergang befindet und es wird ein Ssromfiiiß vom zweiten Hauptkontakt am Innenrund des Hilfsteils entlang eingeleitet. Wenn dieser Strom das Hilfsteil erreicht, folgt er dem Pfad des Steuersignals.

wie er oben beschrieben wurde, um den ersten Hauptkontakt zu erreichen. Der Steuersignal-Strom, der um ein Vielfaches durch den Strom vom zweiten Hauptkontakt verstärkt ist, führt zu einer Elektroneninjektion von dem Innenrand des Hauptteiles 118 in den darunter liegenden Hauptabschnitt 122 der ersten Basisschichi 108. Dies führt zu einem weiteren Zusammenbruch der zum Basisübergang gehörenden Verarmungsschicht und dadurch entsteht ein noch größerer Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Hauptkontakten.

Falls die erste diffundierte Ballastzone 130 in dem Thyristor fehlen würde und zwischen dem AuSenrand des leitenden Abschnitts 142 und dem Innenrand des HilfsÜbergangs 146 ein sehr kleiner Seitenabstand bestehen würde, wie es bei herkömmlichen Thyristoren mit Thyristor-Hilfsteilen üblich ist so bestünde, wie leicht aus F i g. 1 hervorgeht zwischen dem leitenden Abschnitt und dem HilfsÜbergang ein Pfad mit sehr geringem Widerstand. Wenn nun dem Thyristor das Steuersignal zugeführt wird, so fließt zunächst kein Strom.

bis ein Potentialgradient gebildet ist der ausreicht, damit eine Vorwärtsleitung über den HilfsÜbergang entsteht Typischerweise ist ein Potentialgradient von weniger als ein Volt notwendig, um eine Vorwärtsleitung über einen pn-übergang zu erzielen. Es wurde beobachtet daß, wenn ein bestimmter Punkt auf dem Innenrand des Hilfsteils durch ein Steuersignal in herkömmlichen Thyristoren eingeschaltet ist, der Stromfluß sich nicht notwendigerweise zur Seite hin ausbreitet so daß sofort

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der gesamte Hilfsteil eingeschaltet wird. Falls die Fläche der Breite verengt ist. Wenn darüber hinaus die erste der ersten Einschaltung sehr klein ist, und wenn in dieser Basisschicht durch Diffusion gebildet ist, wird der begrenzten Fläche eine große Stromdichte auftritt, so Stromfluß von dem oberen, einen geringeren Widerkann eine augenblickliche lokalisierte Überhitzung des stand aufweisenden Teil der Basisschicht, zu dem unie-Halbleiterelements auftreten, durch die eine Dauerbe- 5 ren, einen höheren Widerstand aufweisenden Abschnitt Schädigung des Halbleiterelementes und eine Zerstö- abgelenkt. Alle diese Faktoren tragen zusammen dazu rung des ganzen Thyristors hervorgerufen werden ksiin. bei. daß die zweite Ballastzone den seitlichen Wider-

[Wch die Anordnung der ersten diffundierten BaI- stand vergrößert, der mit dem Vorwärtswiderstand des lastzone 130 zwischen dem leitenden Abschnitt 142 und Hauptemitterüberganges ISO in Reihe liegt.
dem Innenrand des Hilfsteiles 120 wird die Länge des io Wenn demzufolge ein Punkt a.if dem Innenrand des Strompfades zwischen diesen Stellen und dadurch der Hauptteiles eingeschaltet wird, so trägt dieser zusätzli-Widerstand vergrößert, der mit dem durch den Hilfs- ehe Reihenwiderstand dazu bei, daß über dem Hauptübergang gebildeten Widerstand in Reihe liegt. Dieser emitterübergang die erforderliche Potentialdifferenz Reihenwiderstand bewirkt eine Begrenzung des Strom- aufrechterhalten bleibt, damit der gesamte Innenrand flusses über den Punkt am Innenrand des zuerst einge- 15 des Übergangs eingeschaltet und der Stromfluß in prakschalteten Hilfsteiles, so daß eine ausreichende Potenti- tisch gleichförmiger Weise zur Seite hin verteilt wird. aldifferenz über dem HilfsÜbergang aufrechterhalten Aus diese™ Grunde wird eine Stromanhäufung, eine werden kann, um den gesamten Innenrand des Hilfstei- lokalisierte Überhitzung und eine hieraus resultierende les einzuschalten. Beschädigung des Bauteiles vermieden.

Somit dient die diffundierte Ballastzone 130 zur BiI- 20 Die Aufrechterhaltung des passiven, keine Ladung dung eines Reihenwiderstandes für den Steuersignal- injizierenden Zustands der zweiten diffundierten Baistrom, wodurch dieser Strom in seitlicher Richtung im lastzone kann noch zuverlässiger dadurch erzielt werwesentlichen gleichförmig verteilt wird, um den gesam- den, daß sich das leitende Element 138 soweit nach auten Innenrand des Hilfsteiles einzuschalten. Es sei be- Ben erstreckt, daß es den Innenrand des zweiten Ballastmerkt, daß sich die erste diffundierte Ballastzone von 25 Überganges kurzschließt.

den Hilfs· und Hauptteilen der ersten Emitterschicht In der dargestellten Ausführungsform ist der Widerdadurch unterscheidet, daß sie passiv bleibt und nicht als stand unterhalb der zweiten Ballastzone 132 der ersten ein Ladungsinjektor oder Emitter wirkt Dieses Verhal- Basisschicht so gewählt, daß auf das Steuersignal und ten der ersten Ballastzone 130 in der in F i g. 1 gezeigten das Stromsignal des "Ihyristor-Hilfsabschnittes hin. seit-Form ist direkt auf den leitenden Abschnitt 142 zurück- 30 lieh über die zweite Ballastzone ein Potentialabfall entzuführen, der den Innenrand des ersten Ballastübergan- steht, der kleiner als die Summe des Durchlaß- und des ges 144 kurzschließt. Falls der Innenrand des Übergangs maximalen Sperrpotentials des zweiten Ballastübergan-144 nicht kurzgeschlossen wird, kann die erste Ballast- ges ist Auch hier kann wieder die erste Hauptfläche zone immer noch passiv bleiben, falls der Querwider- neben dem Außenrand des zweiten Ballastüberganges stand der ersten darunterliegenden Basisschicht so ge- 35 eingeätzt oder auf sonstige Weise vertieft sein, um ihre wählt ist. daß er auf ein Steuersignal hin einen Span- maximale Sperrspannung zu vergrößern und infolgenurigsabfsi! seitlich über die crsic Bsüsstzcne hinweg dessen die Passivität der zweiten Baüastzone sicherzuhervorruft, der kleiner als die Summe des Durchlaß- und stellen.

des maximalen Sperrpotentials des ersten Ballastüber- Neben der Verbesserung der Gleichförmigkeit des

ganges 144 ist. 40 Stromflusses während der Einschaltung, was eine

Die erste Ballastzone bleibt mit anderen Worten so schnelle Einschaltung mit größerer Zuverlässigkeit gelange passiv, wie dem Strom von der Steuerelektrode stattet, schützt die Ballastzone gemäß F i g. 1 auch vor zum Hilfsteil ein geringerer Widerstand entgegenge- einer Beschädigung des Bauteils, die darauf zurückzusetzt wird, wenn dieser unterhalb der ersten Ballasf.one führen ist daß das Bauteil abzuschalten versucht, bevor fließt, als wenn er durch die Ballastzone hindurchfließen 45 es voll eingeschaltet ist. Wenn beispielsweise eine kleine würde. Da das maximale, durch den ersten Ballastüber- Fläche am Innenrand des Hilfsteils eingeschaltet ist, fang aufrechterhaltbare Sperrpotential eine direkte kann es auf einen Potentialwert ansteigen, der etwa ■ jnktion des Oberflächenwiderstandes ist, kann ein ein- gleich demjenigen des zweiten Hauptkontaktes ist. In geätzter oder auf andere Weise eingelassener Teil der diesem Falle kann der eingeschaltete Abschnitt des ersten Hauptfläche neben dem Außenrand des ersten 50 Hilfsteiles bezüglich der Steuerelektrode positiv sein, Ballastüberganges eingefügt werden, damit die erste s'att daß er bezüglich der Steuerelektrode negativ ist, Ballastzone auch dann mit Sicherheit passiv bleibt, wenn wie es zunächst bei der Aufnahme des Steuersignales bei dem Halbleiterelement der spezifische Widerstand der Fall ist. Die Umkehr der Polarität zwischen der der ersten Ballastzone und der ersten Basisschicht nach eingeschalteten Fläche des Hilfsteiles und der Steuerinnen ansteigt, wie es für durch Diffusion gebildete 55 elektrode kann das Ansteigen eines Sperr- oder AbSchichten typisch ist schaltstromflusses von dem Thyristor aus der Steuer-

Die zweite diffundierte Ballastzone bewirkt daß eine elektrode heraus verursachen. Dadurch besteht selbstzerstörung des Halbleiterelementes infolge einer verständlich die Tendenz, daß wenigstens ein Teil eines Stromanhäufung verhindert wird, die durch die Ein- Steuersignals aufgehoben wird, das über die Steuerelekschaltung des Hauptteiles über einer kleinen Fläche ne- eo trode an das Bauteil geliefert wird. Demzufolge wird das ben ihrem Innenrand hervorgerufen wird. Der Signal- zur Ausbreitung der eingeschalteten Flätne des Hüfsstrom zusammen mit dem vom zweiten Hauptkontakt teils verfügbare Steuersignal verkleinert, während zur über das Hilfsteile übertragenen Strom, d. h. der Aus- gleichen Zeit die vom zweiten Hauptkontakt zum Hiifsgangsstrom des Thyristor-Hilfsabschnittes, wird unter teil führende Stromdichte schnell ansteigt. Wenn die das zweite Saüasttci! 132 abgelenkt. Dadurch wird die 65 erste Baüastzone fehlt ist es möglich, daß die zunächst Länge des Strompfades vergrößert und desgleichen eingeschaltete Fläche des Hilfsteiies infolge der Strommuß der Strom durch den darunterliegenden Teil der anhäufung überhitzt wird, die direkt auf den beschriebeersten Basisschicht fließen, der durch die Ballastzone in nen Abschaltmechanismus zurückführbar ist Da jedoch

die Ballastzone einen vergrößerten, in Reihe liegenden Seitenwiderstand zwischen irgendeiner eingeschalteten Fläche des Hillsteiles und der Steuerelektrode hervorruft, bewirkt sie eine Begrenzung dieses Stromes, und sie unterdrückt jede Tendenz des Bauteiles in Richtung auf eine Abschaltung.

In insgesamt analoger Art und Weise reduziert die zweite Ballastzone ähnlich jede Tendenz in Richtung auf eine Stromäftfiäufung entlang des Innenrandes des Hauptteiles infolge des Abschaltmechanismus auf ein Minimum. Es wird dabei deutlich, daß die Ballastzone gegen eine Zeitabschaltung des Bauteils schützt, falls die Steuerelektrode einmal zu irgendeiner Zeit negativ vorgespannt sein sollte, wenn irgendein Teil des Bauteiles eingeschaltet ist. In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, daß der durch die erste Ballastzone in der ersten Basisschicht hervorgerufene Seitenwiderstand größer als der Seitenwiderstand ist, der durch die zweite Baliastzone erzeugt wird, da von dem Thyristor-Hauptabschnitt ein. größerer Abschaltstrom hingenommen werden kann als von dem Thyristor-Hilfsabschnitt.

In den F i g. 2 und 3 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier ist ein Halbleiterelement 200, das erste und zweite Hauptflächen 202 bzw. 204 aufweist, mit vier Schichten 206,208,210 und 212 versehen. Die einander benachbarten Schichten haben abw echselnd entgegengesetzten Leitungstyp. Ein Emitterübergang 214 ist zwischen der zweiten Emitterschicht 212 und der zweiten Basisschicht 210 gebildet, während zwischen der zweiten Basisschicht und der ersten Basisschicht ein Basisübergang 216 gebildet ist. Die erste Emitterschicht 206 ist aus einem Hauptteil 218, einem Hilfsteil 220 und einer diffundierten Ballastzone 230 aufgebaut. Die Ballastzone bildet einen Ballastübergang 244 mit der ersten Basisschicht, während das Hilfsteil einen HilfsÜbergang 246 mit der ersten Basisschicht bildet. Das Hauptteil bildet einen Hauptübergang 2S0 mit der ersten Basisschicht.

Die erste Basisschicht wird durch einen Hauptabschnitt 222. als übrigen Abschnitt der unter dem Hauptteil der ersten Emitterschicht liegt, und einem unter dem Hilfsteil liegenden HüSsabschnitt 224 als ersten Abschnitt gebildet. Ein Steuerabschnitt 226 als weiterer übriger Abschnitt erstreckt sich von dem Innenrand des HilfsÜbergangs nach innen. Ein Seitenabschnitt, de.· durch einen Mittelteil 228a und seillich verlaufende Fingerteile 2286 gebildet wird, verläuft als zweiter Abschnitt vom Außenrand des Hilfsteils zum HauptteiL Es sei darauf hingewiesen, daß die Außenfläche des Seitenwandabschnittes mit Abstand innen von der ersten Haupt fläche 202 des Halbleiterelementes angeordnet ist. Dies kann auf einfache Weise durch Ätzen von der ersten Hauptfläche 202 nach unten erzielt werden.

Ein erster Hauptkontakt 234 ist leitend mit dem Hauptteil verbunden. Vorzugsweise ist er mit einem kleinen Seitenabstand zum Seitenabschnitt der ersten Basisschicht angeordnet, um sicherzustellen, daß kein Teil des ersten Hauptkontaktes den Seitenabschnitt kurzschließt, sondern daß er die gleiche Ausdehnung wie der Innenrand des Hauptteiles aufweist So ist es auch in F i g. 3 dargestellt Gleichzeitig erstreckt sich der Außenumfang des ersten Hauptkontaktes nach außen über den Außenrand des Hauptüberganges 250 hinaus, um den Außenrand der ersten Basisschicht kurzuschiießen. Um jedoch einen Randkurzschluß über den gesamten Umfang des ersten Hauptkontaktes zu verhindern, sind im Umfang des ersten Hauptkontaktes zahlreiche Einbuchtungen 258 ausgebildet so daß ein Teil seines Randes in bezug auf den Außenrand des Hauptüberganges innen endfci. Schließlich ist mit der zweiten Hauptfläche 204 ein zweiter Hauptkontakt 236 verbunden.
Ein leitenden Element ist aus einem Mittelteil 238.1 und zahlreichen integralen Fingerteilcn 2386 gebildet. Der Mittelteil des leitenden Elementes liefert einen leitenden Pfad vom Hilfsteil zum Mittelteil des Seitenabschnittes und schließt dabei den Außenrand des HilfsÜberganges 246 kurz. Die Fingerteile 2386 des leitenden Elementes liegen über den Fingerteilen 2286 des Seitenabschnittes; sie sind aber mittig hierzu und mit einem Seitenabstand zum Hauptteil 218 angeordnet. Eine Steuerelektrode 240 ist in der Mitte des Halbleiterelementes angeordnet und nahe der ersten Hauptfläche und innen von der Ballastzone mit dem Steuerbereich 226 verbunden. Die Steuerelektrode kann mit einem nicht gezeigten leitenden Abschnitt in Verbindung stehen. Dabei kann dieser leitende Abschnitt mit lnncnaöstsnd zur Baüsstzone 230 angeordnet sei" oder deren Innenrand überlappen. Eine mit dem ersten Haupikontakt 234 verbundene Stützplatte 252 kann mit der Stützplatte 152 identisch sein. Mit dem zweiten Hauptkontakt 236 ist eine kreisförmige Stützplatte 254 verbunden. Ein dielektrischer Abstandshalter 256 ist dafür vorgesehen, den relativen Abstand zwischen der Steuerelektrode 240 und der Stützplatte 252 aufrechtzuerhalten. Der dielektrische Abstandshalter schützt auch die diffundierte Ballastzone vor einer leitenden Verbindung mit den Anschlußklemmen des Bauteiles.

Die Wirkungsweise der in den F i g. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist im allgemeinen ähnlich wie diejenige der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform. Sie unterscheidet sich jedoch in bestimmten hervorzuhebenden Einzelmerkmalen. Zunächst sei darauf hingewiesen, daß die Steuerelektrode nicht mit einem zugehörigen leitenden Abschnitt versehen ist. der den Innenrand des Ballastüberganges 244 kurzschließt. Bei dieser Ausiühmngsform der Erfindung beruht der geringere Potentialabfall bei einem Stromfluß unter der Ballastzone hin weg, im Vergleich zu einem Stromfluß durch die Ballastzone hindurch, darauf, daß diese Zone 23P während des Betriebes in einem passiven, keine Ladung injizierenden Zustand gehalten wird, wie es oben bereits erläutert wurde. Der Abstand zwischen dem leitenden Element und dem Hauptteil erfordert einen Stromfluß durch einen Mittelteil des Seitenabschnittes der ersten Basisschicht, die mit Innenabstand zur ersten Hauptfläche angeordnet ist. Wenn die Basisschicht durch Diffusion gebildet ist so daß ihr spezifischer Widerstand nach

so innen ansteigt, vergrößert diese Beziehung den durch die erste Basisschicht gebildeten Widerstand, so daß er größer ist als wenn sich der Seitenabschnitt bis zur ersten Hauptfläche erstrecken würde. Demzufolge ist es nicht mehr erforderlich, sich auf eine Ballastzone zwisehen dem Hilfsteil und dem Hauptteil zu stützen, um den Seitenwiderstand zu vergrößern und den Strom zu verteilen. Trotzdem aber könnte auf Wunsch eine BaI-

Iastzone in den Seitenabschnitt eingefügt werden. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß

die Ballastzone zwischen der Steuerelektrode und dem Hilfsteil beibehalten wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß eine diffundierte Ballastzone einen Seitenwiderstand erzeugen kann, der mit größerer Genauigkeit und Gleichförmigkeit steuerbar ist als dies durch alleinige

ö5 Ätzung der ersten Basisschicht von der ersten Hauptfläche erzielt werden kann. Die genaue Steuerung des Widerstandes zwischen der Steuerelektrode und dem Hilfsteil für ein zufriedenstellendes Leistungsvermögen

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des Thyristors kritischer ist als der Widerstand zwischen dem leitenden Element und dem Hauptteil, wird es vorgezogen. Cic BallaM/onc in der gezeigten Lage beizubehalten. Das Einätzen der ersten Basisschicht über ihren Seitenabschnitt bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Fingerteile 238b des leitenden Elementes mit lnnenabstand /ur .Stützplatte 252 angeordnet werden können. Demzufolge kann die Stützplatte kreisförmig sein und erfordert keine Indizierung, um die richtige Ausrichtung bezüglich der Fingerteile zu erzielen. Selbstverständlich ist es aber möglich, die Fingerteile nach außen in der Ebene der ersten Hauptfläche zu verlängern und die Stützplatte 2S2 mit Nuten, die mit den Fingerteilen ausgerichtet 5ind. zu versehen, um für eine Trennung von dem leitenden Element zu sorgen. Die Fingerteile des leitenden Elements dienen zur Vergrößerung der Umfangsflüche des leitenden Elements, von dem aus sich ein Eir.schaltstrom zum Hauptteil hin ausbreiten kann, und bewirken ein* ScsCrmciitiigUFig des EiriSChaitcns des Hauptteils. Es ist auch zu beachten, daß die Fingerteile den mittler«™ Abstand zwischen einer Flacheneinheit des Emitterteiles und dem Außenumfang des leitenden Elements stark verkleinern.

Neben den anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung mit einem Thyristor, mit einer in der Mitte angeordneten Steuerelektrode sind auch Ausführungsbeispiele mit einem Thyristor mit einer auf dem Umfang angeordneten oder einer verteilten Steuerelektrode möglich.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche: I.Thyristor mit einem Halbleiterkörper (100;200) mit I. vier Schichten (106,108,110,112; 206,208,210, 212) mit abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, wobei diese Schichten einschließen:

1. eine erste Emitterschicht (106; 206) mit einem Hauptteil (118; 218) und einem im seitlichen Abstand hierzu angeordneten HiIFsteiI(120;220),

2. eine erste Basisschicht (108; 208) benachbart der ersten Emitterschicht, wobei die is, erste Basisschicht einen ersten Abschnitt (124), der durch den Hilfsteil (120) von dem Hauptteil (118) getrennt ist,

einen zweiten Abschnitt (128), der zwischen dem Hilfsteil (120) und dem Hauptteil (HS) angeordnet ist und übrige Abschnitte (122,126) aufweist, die integral mit dem ersten und zweiten Abschnitt (124, 128) den Hilfsteil (120) und Hauptteil (118) abdecken, und

3. eine zweite Emittenchicht (112; 212),

II. und weiter einer Steuerelektrode (140; 240), die mit dem ersten Abschnitt (124) der ersten Basisschicht (108, 208) verbunden ist, einem ersten (134) und einem zweiten (136) Hauptkontakt, die mi. dem Hauptteil (118) der ersten Emitterschicht (106) und der »weiten Emitterschicht (112) verbunden sind und

einem leitenden Element-Ί38), das eine Brücke vom Hilfsteil (120) zum zweiten Abschnitt (128) der ersten Basisschicht bildet