DE2142204A1

DE2142204A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE2142204A1
Application number: DE2142204A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Phys Dr Platzoeder; Peter Dipl Ing Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1971-08-23
Publication date: 1973-03-01
Also published as: AT316689B; AT314656B; US3774085A; FR2149405B1; GB1373158A; IT963843B; JPS54632B2; CH538197A; CA971675A; US3766450A; NL7209207A; BE787597A; SE380933B; FR2149405A1; JPS4829379A

Description

2U2204

SIEMENS AKTIENGESELLSCRAPT München 2, 2 3. AUG. 1971

Eerlin und München Witteisbacherplatz 2

71/1138

Thyristor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste einen Emitter, die zweite eine erste Basis und die dritte eine ζγ/eite Basis bilden, mit einer Zündelektrode und einer Emitterelektrode, deren Durchmesser kleiner als der des Halbleiterkörpers ist.

Legt man an die Hauptstrecke eines solchen Thyristors in Blockierrichtung eine die Nullkippspannung überschrei tende Spannung an, so kann der Thyristor gezündet werden, auch ohne daß er über die Zündelektrode einen Steuerstrom erhält. Diese Art der Zündung wird "Überkopfzünden" genannt. Es hat sich herausgestellt, daß die bisher bekannten Thyristoren beim Überkopfzünden in den meisten Fällen zerstört wurden. Dies hat im wesentlichen zwei Ursachen: Die erste Ursache ist darin zu sehen, daß bei Anlegen einer die Nullkippspannung übersteigenden Spannung in Blockierrichtung am Rand des Halbleiterkörpers ein Lawinendurchbruch auftritt. Der beim Lawinendurchbruch im Randbereich fließende Strom konzentriert sich auf einen sehr kleinen Bereich. Dieser Bereich wird spezifisch sehr hoch belastet, so daß es an dieser Stelle zur Zerstörung des Halbleiterkörpers kommen kann.

Der zweite Grund besteht darin, daß im Randbereich eines Thyristors oft starke Kurzschlüsse, z. B. ein Kurzschlußring, vorgesehen sind, die zur Verbesserung des dU/dt-Verhaltens dienen. In einem solchen Fall fließt ein Teil des Lawinenstroms

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aus der Basis direkt in die Kurzschlüsse, während ein kleiner Teil des Lawinenstroms zum Emitter fließt. Hierdurch wird die Ausbreitung des Zündvorganges so behindert, daß ein Überkopfzünden nur mit geringen di/dt-Werten möglich ist. Werden diese Werte überschritten, kommt es ebenfalls zu unzuXässig hohen spezifischen Belastungen, wodurch der Halbleiterkörper zerstört wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß er bei Anlegen einer die Nullkippspannung . übersteigenden Spannung innerhalb der äußersten Elektrodenbegrenzung zündet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basis unter den Elektroden einen Bereich mit einem spezifischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als der spezifische Widerstand außerhalb der äußersten Elektrodenbegrenzung.
2o

Der spezifische Widerstand des Bereiches kann 1o bis 4o Prozent niedriger sein. Ist das Halbleitermaterial des Thyristors inhomogen, weist die zweite Basis unter den Elektroden einen Bereich mit einem spezifischen Widerstand auf, } 25 der unter dem niedrigsten spezifischen. Widerstand außerhalb der Elektrode liegt. Der Bereich kann auch hier einen spezifischen Widerstand haben, der 1o bis 4o Prozent kleiner als der niedrigste spezifische Widerstand außerhalb der Elektroden ist. Der genannte Bereich kann im wesentlichen unter der Zündelektrode und dem der Zündelektrode zugekehrten Teil der Emitterelektrode liegen.

Aus der Zeitschrift "Solid State Electronics", 1, Seite 2o2 bis 21 ο, 196ο, ist bekannt, daß z. B. ein tiegel gezogener Stab

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α _ 3 —

aus Halbleitermaterial über seinen Querschnitt Schwankungen im spezifischen Widerstand aufweist. Hinweise, diese Erscheinung bei Thyristoren gezielt einzusetzen, sind der Zeitschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert:

Es zeigen:
1o

Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper,

Figur 2 den Verlauf des spezifischen Widerstandes in der zweiten Basis in Abhängigkeit des Radius des Halbleiterkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Figur 3 den Verlauf des spezifischen Widerstandes in der^zweiten Basis eines Halbleiterkörpers in Abhängigkeit vom Radius gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel

In Figur 1 ist ein Halbleiterkörper mit 1 bezeichnet. Dieser weist einen Emitter 2 auf, der mit einer Elektrode 3 versehen ist. An der Elektrode 3 ist eine Zuführungselektrode'4 angebracht. Eine erste Basis des Halbleiterkörpers 1 ist mit 5 bezeichnet. Diese ist mit einer Zündelektrode 6 versehen, die mit einer Zuführungselektrode 7 verbunden ist. Eine zweite Basis des Halbleiterkörpers ist mit 8 bezeichnet. Sie hat unter den Elektroden 3 und. 6 einen Bereich 9, dessen spezfischer Widerstand geringer als der der übrigen Basis 8 am Rand des Halbleiterkörpers ist. Der spezifische Widerstand im Bereich kann um 1o bis 4o Prozent niedriger liegen. Der Halbleiterkörper weist ferner noch einen zweiten Emitter 1o auf, der mit einer Elektrode 11 versehen ist. An der Elektrode 11 ist eine Zuführungselektrode 12 angebracht. Die Elektrode 5 ist mit einem Kurzschlußring 13 versehen, der die Elektrode 3 am Rand direkt mit der ersten Basis verbindet. Für die Funktion der Erfindung ist der Kurzschlußring 13 jedoch nicht wesentlich.

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In Figur 2 ist der Verlauf des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit vom Radius r des Halbleiterkörpers aufgetragen. Der spezifische Widerstand am Rand der zweiten Basis 8 ist mit O und der niedrigste Widerstand im Bereich 9

ι α -

mit ^. bezeichnet. Der spezifische Widerstand f. liege hier z. B. um 25 f° unter dem spezifischen Widerstand 0 . Damit

J el

ergibt sich in der Mitte des Bereiches 9, der den Radius r, hat, eine Nullkippspannung, die um etwa 1o$ unter der Nullkippspannung am Rand des Halbleiterkörpers liegt. Bei Anlegen einer Spannung an die Zuführungselektrode 7 und 12 wird daher im Bereich 9 ein Durchbruch stattfinden, bevor es am Rand des Halbleiterkörpers 1 zu einem Durchbruch kommt. Durch Ladungsträgermultiplikation am sperrenden pn-übergang zwischen der Basis 8 und der Basis 5 wird der Zündvorgang eingeleitet.

Die Spannung zwischen den Zuführungselektroden 7 und 12 bricht dann zusammen.

Durch den Verlauf des spezifischen Widerstandes in der zweiten Basis 8 wird erreicht, daß der Thyristor innerhalb eines Bereiches zündet, der in Figur 1 mit C bezeichnet ist. Innerhalb dieses Bereiches ist ein Überkopfzünden mit hohen di/dt-Werten möglich. Würde die Zündung dagegen in einem Bereich eingeleitet, der in Figur 1 mit B bezeichnet ist, würde sich der eingangs erwähnte Lawinenstrom aufteilen. Ein Teil des Stromes fließt unter Umgehung des Emitters 2 über den Kurzschlußring 13 zur Emitterelektrode 3, während ein kleinerer Teil des Lawinenstroms in den Emitter 2 fließt und dort am äußersten Rand die Zündung einleitet. Der Zündvorgang breitet sich in diesem Fall nur langsam aus, so daß der Halbleiterkörper bei hohen di/dt-Werten zerstört wird.

Durch die Dimensionierung des spezifischen Widerstandes in der zweiten Basis 8 wird außerdem vermieden, daß in dem in Figur 1 mit A bezeichneten Bereich ein Oberflächendurchbruch stattfindet.

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Beim Verlauf des spezifischen Widerstandes nach Figur 2 wurde angenommen, daß die Dotierung und damit der spezifische Widerstand außerhalb des Bereiches 9 im wesentlichen homogen ist. Dies wird jedoch nicht immer der Fall sein. Tn Figur 3 ist der Verlauf des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit des Radius des Halbleiterkörpers 1 für den Fall gezeigt, daß dieser außerhalb des Bereiches 9 inhomogen ist. Der niedrigste spezifische Widerstand außerhalb dieses Bereiches 9 ist hier mit Q . bezeichnet. In diesem Fall muß der spezifische Widerstand %. i^m Bereich 9 um 1o bis 4o Prozent unter diesem

kleinsten Widerstand J . - außerhalb des Bereiches 9 liegen.

Die Erfindung wurde anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, bei denen der Bereich 9 relativ groß ist. Der Bereich 9 kann jedoch auch wesentlich kleinere Durchmesser einnehmen und z.B. nur unter der Zündelektrode 6 liegen. Findet in diesem kleinen Bereich ein Durchbruch statt, so fließen die Ladungsträger . durch die erste Basis 5 zur Zündelektrode 6 und von hier zum Emitter 2, wodurch der Zündvorgang ausgelöst wird.

5 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansürtiehe

1. Thyristor mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeits-■fcyps» von denen die erste einen Emitter, die zweite eine erste Basis und die dritte eine zweite Basis bilden, mit einer Zündelektrode und einer Emitterelektrode, deren Durchmesser kleiner als der des Halbleiterkörpers ist, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Basis (5) unter den Elektroden (3,6) einen Bereich (9) mit einem spezifischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als der spezifische Widerstand außerhalb der äußersten Elektrodenbegrenzung.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der spezifische Widerstand des Bereiches (9) 1o bis 4o Prozent niedriger ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basis (5) unter den Elektroden (3,6) einen Bereich mit einem spezifischen Widerstand aufweist, der unter dem niedrigsten spezifischen Widerstand außerhalb der Elektroden liegt.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereiches 1o bis 4o Prozent kleiner als der niedrigste spezifische Widerstand außerhalb der Elektroden ist.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich (9) im wesentlichen unter der Zündelektrode (6) und dem der Zündelektrode zugekehrten Teil der Emitterelektrode (3) liegt.

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