DE2139559C3

DE2139559C3 -

Info

Publication number: DE2139559C3
Application number: DE2139559A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Phys. Dr. Burtscher; Karl Peter Dipl.-Phys. Frohmader; Alfred 8551 Pretzfeld Porst; Peter Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-06
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1978-06-22
Also published as: FR2148459B1; BE787241A; JPS5721866B2; GB1342570A; DE2139559B2; CA970477A; DE2139559A1; AT319402B; SE391413B; FR2148459A1; US3777229A; CH539951A; IT963642B; NL7209238A; JPS4826379A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die erste, die Emitterzone, mit einer Elektrode und die zweite, die Basiszone, mit einer Steuerelektrode versehen ist, und mit einer Hilfsemitterzone, die zwischen Emitterzone und Steuerelektrode liegt und elektrisch mit der Basiszone verbunden ist, und bei dem die Elektrode des Emitters an einer oder mehreren, von der Hilfsemitterzone entfernt liegenden Stellen 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 zu zünden. Im allgemeinen ist nämlich das schnelle und so sichere Zünden eines Thyristors nur dann kein Problem, wenn der Zündstrom 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 punktförmigen Bereich. Dieser punktförmige Bereich muß den ganzen Laststrom übernehmen, was eine hohe spezifische Belastung zur Folge hat. Es kommt daher in dem genannten punktförmiger. Bereich zu Überhitzungen und zur Zerstörung des Halbleiterkörpers. Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.

Man ist daher dazu übergegangen, im Halbleiterkörper des Thyristors einen Hilfsemitter vorzusehen, der mit den beiden Basisschichten und der zweiten Emitterschicht des Thyristors einen Hilfsthyristor bildet Dieser Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und dem Hauptthyristor und kann daher zuerst gezündet werden. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Basis zum Emitter des Hauptthyristors und zündet diesen. Der Hilfsemitter ist dabei so dimensioniert, daß der Laststrom des Hilfsthyristors eine von Anfang an linienförmige oder flächenhafte Zündung des Hauptthyristors bewirkt Ist der Hauptthyristor 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 dann 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 angelegt» Spannung »über Kopf« gezündet werden. Diese Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Nullkippsparmung überschreitenden Spannung an die Laststrecke durch einen Lawinendurchbruch des sperrenden pn-Übergangs erzielt Bei Zünden über Kopf ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyrisior zuerst zündet Zündet der Hauptthyristor zuerst, so wird dieser, da der als Zündstrom wirkende 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 Haupthyristor gezündet wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone breiter als 1 mm ist.

Ein Thyristor der eingangs erwähnten Gattung ist bereits im USA.-Patent 35 86 927 beschrieben worden. Die bei diesem Thyristor verwendete Hilfsemitterzone ist aus Gründen der Klarheit in den Zeichnungen übertrieben groß dargestellt. Daß die Breite der Hilfsemitterzone größer als 1 mm sein soll, läßt sich dem genannten Patent jedoch an keiner Stelle explizit entnehmen.

Die Hilfsemitterzone kann vorzugsweise zwischen 2 und 10 mm breit sein. Die Elektrode der Emitterzone ist zweckmäßigerweise auf einer von der Hilfsemitterzone abgekehrten Seite elektrisch mit der Basiszone verbunden. Die Emitterzone kann mit Durchbrüchen versehen sein, durch die die Basiszone bis zur Elektrode der Emitterzone hindurchgreift.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den F i g. 1 bis 3 und 7 näher erläutert. Anhand der F i g. 4 bis 6 wird ein Halbleiterelement beschrieben, bei dem die Hilfsemitterzone nicht breiter als 1 mm ist. Es zeigt

F i g. 1 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement (erstes Ausführungsbeispiel),

F i g. 2 den Potentialverlauf in der oberen Randschicht der p-Basiszone als Funktion des Radius,

Fig. 3 den Verlauf der Spannung am pn-Übergang zwischen Emitter bzw. Hilfsemitter und angrenzender Basiszone,

Fig.4 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement, das eine außerhalb der Erfindung

liegende Dimensionierung aufweist,

Fig.5 und 6 die den Fig.2 und 3 entsprechenden Potential- und Spannungsverläufe für die Anordnung nach F i g. 4 und

F i g. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel.

In F i g. 1 ist ein Halbleiterkörper eines Thyristors mit

I bezeichnet Der Halbleiterkörper 1, der z. B. aus Silicium besteht, weist einen Emitter 2 und einen Hilfsemitter 3 auf. Der Emitter 2 ist mit einer Elekirode 4 versehen. Der Hilfsemitter ist über eine Elektrode 5 an der von einer Steuerelektrode 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 IU vorgesehen, die z. B. aus Molybdän besteht Der pn-übergang zwischen der Basis 7 und dem Emitter 2 bzw. dem Hilfsemitter 3 trägt die Bezugsziffer 11.

Die mit b\ bezeichnete Breite des Hilfsemitters beträgt mehr als 1 mm. Um ganz sicher zu gehen, daß beim Anfegen einer die Nullkippspannung überschreitenden Spannung an die Hauptstrecke des Thyristors der Hilfsthyristor zuerst zündet, empfiehlt es sich, die Breite b\ zwischen 2 und 10 mm zu wählen. Damit ist bei Randkonzentrationen des Hilfsemitters 3 zwischen 10'⁸ und 10²⁰Cm-³ und bei einer Dotierung der oberen Randschicht der Basis 7 von 10" bis 10¹⁸ cm-³, also bei einer allgemein üblichen Dotierung sichergestell , 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 Flache 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 daher der Widerstand am geringsten.

Die Potentialverteilung L/fr^unter dem pn-übergang

II ist in dem Diagramm nach Fig.2 in Abhängigkeit vom Radius aufgetragen. Das Potential ist hier auf das Potential U(o)der Basis 7 beim Radius Null normiert

Im Diagramm nach F i g. 3 ist der Spannungsverlauf am pn-übergang 11 unter dem Emitter 2 (rechts) und der Spannungsverlauf am pn-Übergang 11 unter dem Hilfsemitter 3 (links) aufgetragen. Die Spannung am linken Rand des Emitters 2 (Radius /·,) ergibt sich aus der Differenz der Potentiale beim Radius r_a und η Diese Spannung ist im Diagramm nach F i g. 3 mit U1 bezeichnet. Die am pn-übergang abfallende Sp?nnung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius r_H) ergibt sich aus der Potentialdifferenz zwischen dem äußeren Rand (Radius /■«„) und dem inneren Rand (Radius r«,). Diese Spannung ist in F i g. 3 mit t/2 bezeichnet.

Die Spannung U 2 möge z. B. 0,45 V und die Spannung UX 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 η-Emitter in die Basis verbunden ist.

Nach 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 Hauptthyristor, so daß dieser linienförmig oder flächenhaft zündet Dadurch wird eine Überlastung des Hauptthyristors vermieden. Eine Überlastung des Hilfsthyristors kann nicht auftreten, da die Stromübernähme auf den Hilfsthyristor sehr schnell erfolgt Der Hilfsthyristor erlischt nach Zünden des Hauptthyristors.

Beim Halbleiterelement nach Fig.4 sind gleiche

Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Breite des Hilfsemitters 3 ist hier mit b 2

ίο bezeichnet Sie liegt unterhalb des durch die Erfindung angegebenen Bereichs.

Im Diagramm nach Fig.5 ist wieder das auf das Potential der Elektrode 4 normierte Potential unter dem pn-Übergang 11 in Abhängigkeit vom Radius aufgetragen.

Im Diagramm nach Fig.6 ist der Spannungsverlauf am pn-Übergang 11 unter dem Emitter (rechts) und unter dem Hilfsemitter 3 (links) dargestellt Die Spannung am pn-Übergang am linken Rand des Emitters 2 (Radius r) ist mit i/3 und die Spannung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius rw,) ist mit U4 bezeichnet. Die Spannung U3 möge hierbei einen Wert von z. B. 0,6 V und die Spannung i/4 dementsprechend einen Wert von 0,15 V haben. Es ist einzusehen, daß bei einer solchen Dimensionierung der Hauptthyristor zuerst zündet. Da der durch Ladungsträgermultiplikation erzeugte, als Zündstrom wirkende Strom beim Zünden über Kopf relativ gering ist, zündet der Hauptthyristor nur in einem punktförmigen Bereich und wird dadurch zerstört

In Fig. 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt Auch hierbei sind gleiche Teile wie in den F i g. 1 und 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 vorgesehen, die mit der zum Hilfsemitter 3 gehörenden Elektrode 12 übe^r eine Leitung 14 verbunden ist. Weiterhin ist der Emitter 2 nicht am Rand,durch die Elektrode 4 mit der Basis 7 verbunden, sondern durch Durchbrüche 15, durch die die Basiszone bis zur Elektrode 4 hindurchgreift. Hilfsund Hauptthyristor sind so dimensioniert, daß der Hilfsthyristor bei Zünden über Kopf immer zuerst zündet.

Die erwähnten Durchbrüche können auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zusätzlich oder ausschließlich zum Verbinden der Elektrode 4 mit der Basis vorgesehen sein. Bei größerem Durchmesser der Halbleiterkörper weisen diese zur Verbesserung 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 Hilfsthyristors wächst mit der Breite des Hilfsemitters. Bei Thyristoren, bei denen der den Zündvorgang auslösende Strom homogen über die Fläche verteilt ist, genügt eine Mindestbreite des Hilfsemitters. Bei inhomogener Verteilung des zur Zündung erforderlichen Stromes muß diese Breite gegebenenfalls vergrößert werden.

Die Zündung des Hilfsthyristors 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 Verschiebunesstrom der Kaoazität 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die erste, die Emitterzone, mit einer Elektrode und die zweite, die Basiszone, mit einer Steuerelektrode versehen ist, und mit einer Hilfsemitterzone, die zwischen Emitterzone und Steuerelektrode liegt und elektrisch mit der Basiszone verbunden ist, und bei dem die Elektrode des Emitters an einer oder mehreren, von der Hilfsemitterzone entfernt liegenden Stellen elektrisch mit der Basis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone (3) breiter als 1 mm ist

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

3. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (4) der Emitterzone (2) auf einer von der Hilfsemitterzone (3) abgekehrten Seite elektrisch mit der Basiszone (7) verbunden ist.

4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (2) mit Durchbrüchen (15) versehen ist, durch die die Basiszone (7) bis zur Elektrode (4) der Emitterzone hindurchgreift.

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