DE2139559A1 - Thyristor - Google Patents

Description

Die vorliegende. Erfindung "bezieht sieh auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, vin denen die erste _s der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und einem Hiiroemitter, der zwischen Emitter und Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist.

Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden» .'Der zwischen der Zündelektrode und dem Emitter liegende Hilfsemitter hat den Zweck, den Thyristor auch mit einem niedrigen Steuerstrom schnell und sicher au zünden» Im allgemeinen ist nämlich das schnelle und 'sichere Zünden eines Thyristors nur dann kein Problem, wenn der Zündstron hoch ist, Nur dann setzt der Zündvorgang linienförmig oder flächenhaft ein. Unter dieser Bedingung wird eine zu hohe spezifische Belastung und eine Zerstörung des Thyristors vermieden.

Es ist jedoch im allgemeinen erwünscht, einen Thyristor >wegen des geringeren Aufwandes für die Steuerschaltung mit niedrigen Strömen zu zünden. Wird ein solcher niedriger Zündstrom in die Steuerstrecke des Thyristors eingespeist, so zündet dieser zunächst in einem kleinen, meist xronktförrnigen Bereich. Dieser punktförmige Bereich muß den ganzen laststrom übernehmen, was eine hohe spezifische Belastung zur Folge hat. ßa kommt daher in dem gearmten punktforaigen Bereich zu Überhitzungen und zur Zerstörung des Halbleiterkörper». Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.

Llan 1st daher dazu übergegangen, im Halbleiterkörper des

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Thyristors einen Hilfsemitter vorzusehen, der mit den beiden Basisschichten und der zweiten Emittershhicht des Thyristors einen Hilfsthyristor"bildet. Dieser Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und fein Hauptthyristor und kann daher zuerst gezündet v/erden. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Basis zum Emitter des Hauptthyristors und zündet diesen. Der Hilfsemitter ist dabei so dimensioniert, daß der Laststrom der Hilfsthyristors eine von.Anfang an linienförmige oder flächenhafte Zündung des Hauptthyristors bewirkt. Ist der Hauptthyristors gezündet, so fließt der Laststrom nur durch diesen und der Hilfsthyristor erlischt.

Bei dem beschriebenen Thyristor ist jedoch die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors und damit ein Schutz des Hauptthyristors nur dnnn gewährleistet, wenn der Zündstrom für den Thyristor über die Zündelektrode fließt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke -angesagte Spannung "über Kopf" gezündet werden« Diese Art der Zünder;?: wird bei Anlegen einer die. ITullkippspannung überschreitenden Spannung an. die Laststrecke durch einen Lawinendurchbruch des sperrenden pn-Übergangs erzielt. Bei Zünden über Kopf ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet. Zündet der Hauptthyristor zuerst, so wird dieser, da der als Zündstrom v/irkende im Steilanstieg durch Ladungsträgermultiplikation fließende Strom relativ niedrig ist, lediglich punktförmig gezündet und damit zerstört.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß in jedem Fall, also auch beim Zünden über Kopf der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor gezündet wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, da*2 der Hilfs-VPA 9/i1O/l051a · - 3 -

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emitter breiter als 1mm ist und daß die Elektrode des Emitters an einer oder mehreren Stellen elektrisch mit der Basis verbunden ist;

Der Hilfsemitter kann vorzugsweise zwischen 2 und 10mm breit sein. Als allgemeiner Gesichtspunkt für die Dimensionierung ' gilt, daß die Breiten des Hilfs- und des Ilauptthyristors so aufeinander abgestimmt sind, daß .der Hilfstbyristor zuerst zündet. Die Elektrode des Emitters ist zweckmäßigerweise auf einer vom Hilfsemitter abgekehrten Seite mit der Basis verbunden. Der Emitter kann auch Durchbrüche aufweisen, durch die die Basis bis zur Emitterelektrode hindurchgreift.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 7 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement gemäß der Erfindung,

Figur 2 den Potentialverlauf in der oberen Randschicht der p-Basiszone als Funktion des Radius,

Figur 3 den Verlauf der Spannung am pn-übergang zwischen Emitter bzw." Hilfsemitter und angrenzender Basiszone,

Figur 4, den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiter-

• element, das eine außerhalb der Erfindung liegende ^ Dimeneionierung aufweist, ^

Figur 5 und 6 die &en Figuren 2 und 3 entsprechenden Potential- und Spannungsverläufe für die Anordnung nach Figur 4 und

Figur 7 ein weiters Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist.ein Halbleiterkörper eines Thyristors mit 1 bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1, der z.B. aus Silicium besteht, v/eist einen Emitter 2 und einen Hilfsemitter 3 auf. Der Emitter 2 ist mit einer Elektrode 4 versehen. Der Hilfsemitter ist über eine Elektrode 5 an der von einer Zündelek-

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trode 6 abgewandten Seite mit der Basis des Thyristors verbunden. Die Basis ist mit 7 bezeichnet. Weitere Schichten des Thyristors tragen die Bezugsziffern 8 und 9· An der Unterseite des Thyristors ist eine Elektrode 10 vorgesehen, die z.B. auö" Molybdän besteht. Der pn-übergang zwischen der Basis 7 und dem Emitter 2 bzw. dem~Hilfsemitter 3 trägt die Bezugsziffer 11.

Die mit b1 bezeichnete Breite des Hilfseraitters beträgt mehr als 1mm, Um ganz sicher zu gehen, daß beim Anlegen einer die Kulikippspannung überschreitenden Spannung an die Hauptstrecke des Thyristors der Hilfsthyristor zuerst zündet, empfiehlt es sich, die Breite b1 zwischen 2 und lOinm zu wählen. Damit ist bei Randkonzentrationen des Hilfseraitters 3 zwischen 10 und 10 om~^? und bei einer Dotierung der

1 fi 1R —^5 oberen Randschicht der Basis 7 von 10 bis 10 cm , also bei einer allgemein üblichen Dotierung sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß an die Elektroden 10 und 4 eine Spannung angelegt wird, die die angegebene Polarität hat.Für die folgenden Erläuterungen wird angenommen, daß der durch diese Spannung verursachte Strom von der Elektrode 10 zur Elektrode 4 homogen über die Fläche verteilt den pn-übergang zwischen, den Schichten 8 und 7 passiert. Der Strom nimmt dabei wegen der Dotierungsverteilung im Halbleiterkörper einen Weg, der dicht unter dem pn-übergang 11 zur Elektrode 4 führt. Dicht unter dem pn-Übergang 11 ist die Dotierung der Basiszone 7 am höchsten und ciaher der Y/iderstand am geringsten.

Die Potentialverteilung U (r) unter dem pn-übergang 11 ist in dem Diagramm nach Figur 2 in Abhängigkeit vom Radius aufgetragen. Das Potential ist hier auf das Potential U (o) der Basis 7 beim Radius Null normiert.

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Im Diagramm nach Figur 3 ist der Spannungsverlauf am pn-übergang 11 unter dem Emitter 2 (rechts) und der Spannimgsverlauf am pn-übergang 11 "unter dem Hilfseraitter 3 (links) aufgetragen. Die Spannung am linken Rand des Emitters 2 (Radius r.) ergibt sich aus der Differenz der Potentiale beim Radius r und r.. . Diese Spannung ist

a χ

im Diagramm nach Figur 3 mit TJ1 bezeichnet. Die am pnübergang abfallende Spannung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius EVr-) ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwisclfen dem äußeren Rand (Radius rrr_r ) und dem inneren Rand (Radius r,j. ). Diese Spannung ist in Figur mit U2 bezeichnet.

Die Spannung U2 möge z.B. 0,45 V und die Spannung U1 z.B. 0,35 V betragen. Dann wird der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor zünden, da mit der höheren Basis-Emitter-Spannung auch eine stärkere Injektion von Elektronen aus dem n-Emitter in die Basis verbunden ist.

Hach dem Zünden des Hilfsthyristors fließt ein Laststrom über die Elektrode 5 in die Basiszone 7 und weiter in die Emitterzone 2. Der Laststrom des Hilfsthyristors bildet einen starken Steuerstrom für den Haptthyristor, so daß dieser linienförmig oder flächenhaft zündet. Dadurch wird eine Überlastung des Hauptthyristors vermieden. Eine Überlastung des Hilfßthyristors kann nicht auftreten, da die Stromünernahme auf den Hilfsthyristor sehr schnell erfolgt. Der Hilfsthyristor erlischt nach Zünden des Hauptthyristors.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Breite des Hilfsemitters 3 ist hier mit b2 bezeichnet. Sie liegt unterhalb des durch die Erfindung angegebenen Bereichs.

Im Diagramm nach Figur 5 ist wieder das auf das Poten-VPA 9/110/1051a " - 6 -

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tial der Elektrode 4 normierte Potential unter dem pn-Übergang 11 in Abhängigkeit vorn Radius aufgetragen.

Im Diagramm nach Figur 6 ist der Spannungsverlauf am pn-übergang 11 unter dem Emitter (rechts) und unter dem Hilfsernitter 3 (links) dargestellt. Die Spannung am pn- . Übergang am linken Rand des Emitters 2 (Radius r.) ist mit U3 und die Spannung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius r„.) ist mit U4 bezeichnet. Die Spannung U 3 möge hierbei einen Wert von z.B. 0,6 V und die Spannung U4 dementsprechend einen V/ert von 0,15 V haben. Es ist einzusehen, daß bei einer solchen Dinenoionierung der Haupt thyristor zuerst zündet. Da der durch Ladunge.tx'ägerraultiplikation erzeugte, als Zündstrom v/irkende Strom beim Zünden über Kopf relativ gering ist, zündet der Hauptthyristor nur ein einen punktförraigen Bereich und wird dadurch zerstört.

In Pigur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Auch'hierbei sind gleiche Teile wie in den Figuren 1 und mit gleichen Bezugsseichen versehen. Ein Unterschied sum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 besteht darin, daß der Hilfsemitter 3 mit der Basis 7 nicht direkt durch eine Elektrode elektrisch verbunden ist. Hier ist vielmehr eine weitere Elektrode 13 vorgehen, die mit der zum Hilfsemitter 3 gehörenden Elektrode 12 über eine Leitung 14 verbunden ist. Weiterhin ist der Emitter 2 nicht am Rand durch die Elektrode 4 mit der Basis 7 verbunden, sondern durch "Löcher" 15₅ durch die die Basiszone bis zur Elektrode 4 hindurchgreift. Hilfs- und Hauptthyristor sind so dimensioniert, daß der Hilfsthyristor bei Zünden über Kopf immer zuerst zündet.

Die erwähnten "Löcher" können auch im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zusätzlich oder ausschließlich zum Verbinden der Elektrode 4 mit der Basis vorgesehen sein. Bei größerem

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Durchmesser der Halbleiterkörper v/eisen diese zur Ver~ besseanmg des dU/dt-Verhaltens durchweg Löcher im Emitter auf. Die angegebene Dimensionierung des Hilfsemitters gemäß der Erfindung ist daher für sämtliche Durchmesser brauchbar.

Die Zündbereitschaft des Ililfsthyristors wächst mit der Breite des Hilfseraitters* Bei Thyristoren, bei denen der den Zündvorgang auslösende Strom homogen über die Fläche verteilt ist, genügt eine Mindestbreite des Hilfseraitters. Bei inhomogener Verteilung des zur Zündung erforderlichen Stromes muß diese Breite gegebenenfalls vergrößert werden.

Die Zündung des Ililfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors ist auch beim Zünden mit einer Spannung mit hoher Steilheit gewährleistet. Der Verlauf der Emitter-Basisspannung ist qualitativ der gleiche wie beim Zünden über Kopf, lediglich der den Zündvorgang auslösende Strom hat andere Ursachen. Er wird durch den Verschiebungsstrom der Kapazität des sperrenden pn-überganges gebildet.

Die Erfindung ist unabhängig davon, in welcher Technik die Thyristoren hergestellt werden, also z.B. Planar-, Mesa- oder einer sonstigen Technik, anwendbar.

5 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims (5)

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von
denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist und einem Hilfsemitter, der zwischen Emitter und Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Hilfsemitter (3) breiter als 1mm ist, und daß die Elektrode (4) des Emitters (2) an einer oder mehreren, vom Hilfsemitter (3) entfernt liegenden Stell'en elektrisch mit der Basis (7) verbunden ist.

2. Thyristor nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hilfsemitter (3) 2 bis 10mm breit ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

z e ich net, daß Hilfs- und Hauptthyristor so d-imensioniert sind, daß beim Überschreiten der ITullkippspannung in Vorwärtsrichtung (über Kopf zünden) der Hilfsthyristor zuerst z-ündet.

4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekenn ze i c h η e t , daß die Elektrode (4) des Emitters (2) auf einer vom Hilfsemitter abgekehrten Seite elektrisch mit der Basis verbunden ist.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3>dadurch gekennzeichnet , daß der Emitter (2) mit Durchbrüchen (15) versehen ist, durch die die Basis (7) bis zur Elektrode (4) des Emitters hindurchgreift.

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