DE2157091C3

DE2157091C3 - Thyristor mit integrierter Diode

Info

Publication number: DE2157091C3
Application number: DE19712157091
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 8000 Muenchen Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-11-17
Filing date: 1971-11-17
Publication date: 1979-02-01
Also published as: DE2157091A1; IT970856B; DE2157091B2; FR2160437B1; GB1360326A; SE387199B; NL7215042A; CH539953A; FR2160437A1

Description

Thyristoren werden gegen Überspannungen im allgemeinen durch ein gegeneinandergeschaltetes Diodenpaar geschützt das dem Thyristor parallel geschaltet wird. Es ist auch bekannt den Halbleiterkörper eines Thyristors zum Schutz gegen Oberspannungen mit einer antiparallel geschalteten Vierschichtdiode mit Kippcharakteristik zu integrieren (siehe DE-OS 1614 035). Wird an dieses Halbleiterbauelement in Sperrichtung des Thyristors, d. h. in Durchlaßrichtung der Vierschichtdiode eine Überspannung angelegt, so zündet diese und schaltet in den Durchlaßzustand. Auf diese Weise wird eine in Sperrichtung anliegende Überspannung unwirksam gemacht Die Gefahr einer Schädigung wird daher vermieden. Bei Anlegen einer Überspannung in Durchlaßrichtung des Thyristors zündet dieser über Kopf.

Die bekannte Anordnung schaltet also bei Anlegen einer Überspannung in beiden Richtungen durch, und die Spannung sinkt auf wenige Volt ab. Dies ist jedoch nicht immer erwünscht, da dann fast die volle Überspannung am Verbraucher liegt Die bekannte Anordnung hat außerdem den Nachteil, daß der Thyristor, wie obenerwähnt, über Kopf gezündet wird. Unter »Überkopfzünden« versteht man einen Zündvorgang, der dann einsetzt, wenn eine an die Katode und die Anode des Thyristors angelegte Spannung die Nullkippspannung des Thyristors überschreitet und dabei ein Lawinendurchbruch im sperrenden pn-Übergang auftritt. Hierbei zündet ein Thyristor im allgemeinen nur in einem kleinen, punktförmigen Bereich, der den ganzen Laststrom übernehmen muß. Dies hat eine hohe spezifische Belastung zur Folge, die im punktförmigen Bereich zur Überhitzung und zur Zerstörung des Halbleiterkörpers führen kann. Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.

Dje vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit integrierter Diode, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit mindestens vier übereinanderliegenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen erste Zone einen ersten Emitter, dessen zweite Zone eine erste Basis und dessen dritte

ίο Zone eine zweite Basis und dessen vierte Zoi^e einen zweiten Emitter bildet, wobei der erste Emitter die erste Basiszone nicht ganz bedeckt, und mit einer ersten Hauptelektrode am ersten Emitter, einer Steuerelektrode an der ersten Basis und einer zweiten Hauptelektrode am zweiten Emitter; VgL DE-OS16 14 035.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß ein Überkopfzünden des Thyristors bei Anlegen von Überspannungen vermieden wird. Dabei soll die Spannung zwischen Anode und Katode des Thyristors nicht zusammenbrechen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß ein Teil der nicht vom ersten Emitter bedeckten zweiten Zone mit einer weiteren Elektrode versehen ist, die elektrisch mit der ersten Hauptelektrode verbunden ist und daß die dritte Zone einen unter der weiteren Elektrode liegende**·» nicht über die weitere Elektrode hinausragenden Bereich mit einem spezifischen Widerstand aufweist der kleiner als der spezifische Widerstand des übrigen Teils der dritten Zone ist

Zweckmäßigerweise ist der spezifische Widerstand des Bereichs um 10 bis 40% niedriger. Zwischen der weiteren Elektrode und der Steuerelektrode kann eine Zone vorgesehen sein, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Zone aufweist

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den F i g. 1 bis 3 näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Schnitt durch einen Thyristor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig.2 den schematischen Schnitt durch einen Thyristor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

F i g. 3 die Aufsicht auf das Halbleiterelement gemäß Fig. 2.

Der Thyristor nach F i g. 1 weist einen Halbleiterkörper mit einer ersten Zone 1, dem Emitter, einer zweiten Zone 2, der ersten Basis, einer dritten Zone 3, der

so zweiten Basis, und einer vierten Zone 4, dem zweiten Emitter auf. Die erste Zone 1 ist mit einer ringförmigen Elektrode 5 und die zweite Zone 2 mit einer ringförmigen Zündelektrode 6 versehen. Die Zone 2 weist eine weitere Elektrode 8 auf, die über eine Leitung 9 mit der Elektrode 5 verbunden ist Die Verbindung kann aber z. B. auch durch Aufdampfen einer Leiterbahn hergestellt werden. Die vierte Zone 4 weist eine Elektrode 11 auf. In der dritten Zone 3 ist ein Bereich 10 vorgesehen, der durch gestrichelte Linien begrenzt

μ wird. Dieser liegt ganz unter der weiteren Elektrode 8 und ragt nicht über diese hinaus. In diesem Bereich ist der spezifische Widerstand um 10 bis 40%, z. B. 25% niedriger als der spezifische Widerstand der Zone 3 außerhalb dieses Bereiches. Bei einer Widerstandsver-

h^r> ringening um 25% nimmt bei Silicium die Durchbruchspannung etwa um 10% ab.

Der spezifische Widerstand außerhalb des Bereiches 10 kann z. B. bei 55 ficm und innerhalb bei 42 Ωαη

liegen. Die übrigen Dimensionierungswerte des Thyristors können denen eines normalen Thyristors ähnlich sein.

Die Spannung, bei der die aus den Zonen 2, 3 und 4 bestehende Dreischichtdiode in einen Zustand niedrigerer Impedanz schaltet, liegt wegen des geringeren spezifischen Widerstandes niedriger als die Kippspannung des Thyristors. Bei Anlegen einer Überspannung an die Elektroden S und 11 des Thyristors schaltet daher nur die Dreischichtdiode in einen Zustand niedrigerer Impedanz. Die Spannung am Thyristor wird daher auf einen Wert unterhalb der Nullkippspannung des Thyristors begrenzt Damit wird ein Überkopfzünden des Thyristors vermieden. Wird eine Oberspannung in Sperrichtung an die Elektroden 11 und 5 des Thyristors gelegt, so wird die Dreischichtdiode ebenfalls leitend. Die Spannung am Thyristor wird dadurch auf einen Wert begrenzt, bei dem im Thyristor kein Lawinendurchbf uch stattfinden kann.

Die an der Dreischichtdiode im Zustand niedrigerer Impedanz abfallende Spannung liegt je nach Dimensionierung etwa einige 10 V bis einige 100 V unter der höchstzulässigen Sperrspannung bzw. untey der Nullkippspannung des Thyristors. Die Belastung eines mit dem Thyristor in Reihe liegenden Verbrauchers wird hierbei also in Grenzen gehalten.

Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen beiden Anordnungen besteht darin, daß hier zwischen der Zündelektrode 6 und der weiteren Elektrode 8 in der zweiten Zone 2 eine Zone 14 vorgesehen ist, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Zone 1 aufweist, Dadurch wird verhindert, daß ein in die Elektrode 6 eingespeister Steuerstrom direkt zur weiteren Elektrode 8 abfließt und keine Zündung einleitet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Elektroden 6 und 8 nahe nebeneinander liegen müssen. Der Thyristor weist zusätzlich noch einen Hilfsemitter 12 und eine Elektrode

ίο 13 auf. Diese Teile bewirken eine Zündverstärkung. Diese verbessert das Zündverhalten eines Thyristors und ist z. B. in der Zeitschrift »Electro — Technology«, Juni 1969, Seite 31 beschrieben, so daß sich eine nähere Auseinandersetzung mit der Wirkungsweise einer solchen Anordnung erübrigt

In Fig.3 ist eine Aufsicht auf den Thyristor nach F i g. 2 gezeigt Auch hier sind gleiche Teile wie in F i g. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen
Zur Herstellung eines Halbleiterkörpers, dessen Verlauf des spezifischen Widerstandes inhomogen ist, kann z. B. eine Scheibe HaJbleiterrroterial aus tiegelgezogenem Material verwendet werrten. Aus der Zeitschrift »Solid States Electronics«, Bd. 1,1960, Seiten 202 bis 210 ist es bekannt, daß ein tiegelgezogener Stab aus Halbleitermaterial über seinen Querschnitt Schv.· ankungen im spezifischen Widerstand aufweist Vorteilhafterweise wird ein Stab verwendet der den Einbruch des spezifischen Widerstandes etwa in der Mitte hat Der Verlauf des spezifischen Widerstandes kann auf

μ einfache Weise gemessen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit integrierter Diode, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit mindestens vier übereinanderliegenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen erste Zone einen ersten Emitter, dessen zweite Zone eine erste Basis und dessen dritte Zone eine zweite Basis und dessen vierte Zone einen zweiten Emitter bildet, wobei der erste Emitter die erste Basiszone nicht ganz bedeckt, und mit einer ersten Hauptelektrode am ersten Emitter, einer Steuerelektrode an der ersten Basis und einer zweiten Hauptelektrode am zweiten Emitter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der nicht vom ersten Emitter (I) bedeckten zweiten Zone (2) mit einer weiteren Elektrode (8) versehen ist, die elektrisch mit der ersten Hauptelektrode (S) verbunden ist, und daß die dritte Zone (3) einen unter der weiteren Elektrode liegenden, nicht Ober die weitere Elektrode hinausragenden Bereich (10) mit einem spezifischen Widerstand aufweist, der kleiner als der spezifische Widerstand des übrigen Teils der dritten Zone ist

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereichs (10) um 10 bis 40% niedriger ist

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der weiteren Elektrode (8) und der Steuerelektrode (6) eine Zone (14) vorgesehen ist die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Zone (1) aufweist