DE2109508C2 - Thyristor - Google Patents
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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 Abstandhal!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.
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.
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-
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
11
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.
30
40
45
50
55
60
Claims (3)
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
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712109508 DE2109508C2 (de) | 1971-03-01 | 1971-03-01 | Thyristor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712109508 DE2109508C2 (de) | 1971-03-01 | 1971-03-01 | Thyristor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2109508A1 DE2109508A1 (de) | 1972-09-07 |
DE2109508C2 true DE2109508C2 (de) | 1985-04-04 |
Family
ID=5800096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712109508 Expired DE2109508C2 (de) | 1971-03-01 | 1971-03-01 | Thyristor |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE2109508C2 (de) |
Families Citing this family (3)
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---|---|---|---|---|
DE2251727A1 (de) * | 1972-10-21 | 1974-04-25 | Licentia Gmbh | Halbleiteranordnung mit mindestens zwei zonen entgegengesetzten leitfaehigkeitstyps |
JPS54152477A (en) * | 1978-04-24 | 1979-11-30 | Gen Electric | Thyristor and method of forming same |
NL8004139A (nl) * | 1980-07-18 | 1982-02-16 | Philips Nv | Halfgeleiderinrichting. |
-
1971
- 1971-03-01 DE DE19712109508 patent/DE2109508C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2109508A1 (de) | 1972-09-07 |
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