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~Thyristor mit erhöhter Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit Die Erfindung
betrifft einen Thyristor mit hoher Leitfähigkeit in der anoden- und kathodenseitigen
Emitterzone und mit geringer Leitfähigkeit in den Basiszonen, bei dem mittels eines
Systems gutleitender Bahnen innerhalb der Steuerbasiszone beim Zünden mit Hilfe
eines Steuerstromes eine erhöhte Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit erzielt wird.
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Eine derartige Zonenstruktur mit einem System gutleitender Bahnen
innerhalb der Steuerbasiszone ermöglicht es, auch großflächige Thyristoren mittels
eines Steuerstromes abzuschalten.
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Zur Erzielung eines großen Emitterwirkungsgrades haben bei einem
derartigen Thyristor, insbesondere bei einem Leistungsthyristor, die anoden- und
kathodenseitigen Emitterzonen eine um Größenordnungen höhere Leitfähigkeit als die
Basis zonen. P~ur den Steuerstrom besteht sonach in der Steuerbasiszone ein großer
Querwiderstand, so daß beim Zünden des Thyristors nur ein schmales, unmittelbar
zwischen dem Steuerkontakt und der kathodenseitigen Emitterzone liegendes Gebiet
zuerst stromleitend wird.
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Es wurden bereits verschiedene Zonenstrukturen für Thyristoren geschaffen,
um das vorerwähnte, beim Zünden zuerst stromleitend werdende Gebiet anteilig in
Bezug auf den stromführenden Querschnitt des voll durchgeschalteten Thyristors zu
vergrößern und damit die Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Derartige
Strukturen sind unter den Bezeichnungen ~Querfeldemitter11, 'Amplifying Gate", Grabengate
und Fingerstruktur bekannt geworden.
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Die Erfindung stellt demgegenüber eine neue Konzeption einer Zonenstruktur
für schnell einschaltende Thyristoren vor.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mittels Epitaxie-Verfahrens
herstellbaren Thyristor erhöhter Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit zu schaffen,
bei dem selbst weit vom Gate entfernt liegende Gebiete beim Zünden sofort stromleitend
werden.
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Es wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb
der Steuerbasiszone, mit Abstand von den pnübergängen dieser Zone zu den benachbarten
Zonen, eine im Vergleich zu derselben Zone hochdotierte zusammenhängende Zone gleichen
Leitungstyps in Gestalt von von einem Steuerkontakt ausgehenden, finger- oder netzförmig
in der gesamten Steuerbasiszone sich erstreckenden Steuerstrombahnen angeordnet
ist.
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Eine vorzugsweise verwendbare Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, daß von einem zentral angeordneten Steuerkontakt ausgehende, radialsymmetrisch
sich erstreckende fingerföraige Steuerstrombahnen ausgehen, die eine zum Beispiel
um drei Größenordnungen höhere Dotierungskonzentration als die Steuerbasiszone aufweisen
und die zumindest an ihren Enden ankerförmig verästelt sind.
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Entsprechend weiterer Ausgestaltungen der Erfindung sind diese Steuerstrombahnen
in den Abmessungen und in der Dotierungakonzentration derart bemessen, daß in den
Steuerstrombahnen der Spannungsabfall des Steuerstromes bei Zimmertemperatur höchstens
etwa 25 mV beträgt, und daß bei vorgegebener Flächengröße der fingerförmigen Steuerstrombahnen
die Breite dieser Bahnen entsprechend der mit zunehmender Entfernung vom Steuerkontakt
abnehmenden Strombelegung der Bahnen abnimmt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das im folgenden näher beschrieben wird.
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Es zeigen: Fig. 1 die Zonenstruktur eines Thyristors mit zentralem
Steuerkontakt gemäß der Erfindung in einem durch eine Steuerstrombahn gehenden Querschnitt,
Fig. 2 die Fingerstruktur der Steuerstrombahnen eines Thyristors gemäß der Erfindung
nach Fig. 1 in einem durch die Steuerstrombahnen verlaufenden Längsschnitt.
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Der in Fig. 1 dargestellte Thyristor hat eine p+npn+ -Zonenstruktur.
Auf den äußeren p+- und n+-Zonen 1 und 4 sind Hauptelektroden 1' und 4' aufgebracht.
Die Hauptelektrode 1' (Anode) ist ganzflächig, die Hauptelektrode 4' (Kathode) und
die äußere Zone 4 haben Kreisringform mit einer zentralen Öffnung. Innerhalb der
p-leitenden Steuerbasiszone 3 ist ungefähr in der Mitte derselben eine zusammenhängende,
sich nahezu längs bis zum Rand der Thyristorscheibe erstreckende, höher als die
Steuerbasiszone 3 dotierte p-leitende Steuerstrombahn 5 angeordnet, welche einen
Teil der aus Fig. 2 ersichtlichen fingerförmigen Struktur darstellt. Das Zentrum
der Steuerstrombahn ist mit einer im Thyristor zentral angeordneten Steuerelektrode
5' (Steuerkontakt) kontaktiert, welche durch die Steuerbasiszone 3 und die zentrale
Öffnung der äußeren Zone 4 und der Hauptelektrode 4' isoliert hindurchgeführt ist.
In der
Dicke mißt die Steuerstrombahn 5 etwa ein Drittel der Steuerbasiszone
3, sie weist eine homogene Akzeptorkonzentration von beispielsweise 1019 com~3 auf.
Demgegenüber besteht in der Steuerbasiszone 3 eine Akzeptorkonzentration von beispielsweise
nur 1016 cm 3. Zwischen dieser Steuerstrombahn 5 und den pn-Vbergängen der Steuerbasiszone
3 zu der äu ßeren Zone 4 und der zweiten inneren Zone 2 bestehen bei den angegebenen
Bemessungen hinreichend große Abstände.
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Die Steuerstrombahnen 5 insgesamt bilden mit der Steuerbasis zone
3 und der äußeren n+-Zone 4 eine psn-Zonenfolge und haben eine zweifache Funktion.
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Erstens injizieren sie bei zwischen der Steuerbasiszone 3 und der
äußeren Zone 4 angelegter Steuerspannung Löcher in die Zone 3. Dies hat eine entsprechende
Erhöhung der Konzentration an Elektronen in derselben Zone 3 zur Folge.
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Zweitens führen sie einen vom zentralen Steuerkontakt ausgehenden
Steuerstrom bis in das Randgebiet der Steuerbasiszone, damit auch im Randgebiet
eine Injektion mit der vorbeschriebenen Wirkung erreicht wird.
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Die 8tfrke der Injektion an einer beliebigen Stelle der fingerförmigen
Steuerstrombahnen 5 ergibt sich aus der Größe der an dem Übergang p+p verfügbaren
vorwärtsgerichteten Spannung. Durch die Injektion am stärksten erhöht wird die Konzentration
an Ladungstägern in den zwischen Steuerstrombahn 5 und äußeren Zone 4 liegenden
Gebieten der Steuerbasiszone 3, am schwächsten dagegen etwa im Mittelteil einer
fingerförmigen Strombahn 5 in Richtung zur inneren Basiszone 2. Zum Zünden des Thyristors
sind im wesentlichen die zur Strombahnenteile im Randgebiet der Steuerbasiszone
und die in Richtung des zwischen den Zonen 2 und 3 gebildeten pn-Ubergangs injizierten
Löcher wirksam. #erachreitet die Breite b der Steuerstroibahnen einen Breitengrenzwert
bo
der von der Dotierungskonzentration in der Steuerbasiszone und der geometrischen
Bemessung abhängt, so nimmt bei gegebener Spannung praktisch nur noch der unwirksame
Steuerstrom zu, nicht mehr aber der Anteil, der die Zündung bewirkt. Durch die Breite
und Anzahl der Steuerstrombahnen 5 kann daher die Größe des Zündstromes eingestellt
werden.
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Praktisch ist die Breite verglichen mit dem Durchmesser der Scheibe
immer sehr klein zu wählen.
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Bei der Bemessung der Steuerstrombahnen ist außerdem zu beachten,
daß die Injektion von Löchern aus den im Randgebiet der Steuerbasiszone 3 liegenden
Strombahnteilen hinreichend stark ist. Die Injektionsstärke soll daher längs der
Strombahnen mit zunehmendem Abstand r vom Steuerkontakt nicht erheblich abfallen.
Zweckmäßig dafür ist es, den Spannungsabfall der Steuerspannung längs der Strombahnen
höchkT stens in der Größenordnung der Temperaturspannung kotzu halten, d.h. etwa
26 mV bei Zimmertemperatur (k r Boltzmannkonstante, T " absolute Temperatur, q I
elektrische Elementarladung).
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Bei vorgegebener
eines fingerförmigen Teils der Strombahnstruktur kann der vorerwähnte Spannungsabfall
dadurch verkleinert werden, daß eine sich mit zunehmendem Abstand r vom Steuerkontakt,
entsprechend der dabei geringer werdenden Strombelegung, verjüngende Bahnbreite
b vorgesehen wird.
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Fig. 2 zeigt eine sternförmig symmetrische Struktur mit vier fingerförmigen
Steuerstrombahnen 5, deren Enden ankerförmig ausgebildet sind und deren Zentrum
der Steuerkontakt bildet. Da die Gesamtfläche der Strombahnen 5 klein ist im Vergleich
zur Querschnittsfläche der Steuerkreiszone 3, fällt nur wenig Fläche von der nach
dem Zünden und Durchschalten des Thyristors den Anodenstrom tragenden Querschnittsflächen
aus.
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Ein Thyristor gemäß der Erfindung hat gegenüber Thyristoren, die
einen äußeren Steuerkontakt ähnlicher Form haben (Fingergate, Grabengate) den Vorteil,
daß er für eine vergleichbare Erhöhung der Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit eine
kleinere Gesamtfläche an Steuerstrombahnen als die entsprechende Flächengröße der
bekannten Steuerstrukturen benötigt.
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Zur Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung kann beispielsweise
von einer einkristallinen, mit n-Leitfähigkeit vordotierten Siliziumscheibe ausgegangen
werden, aus der mit einem Diffusionsschritt und einem Bearbeitungsschritt zur Freilegung
der pn-Ubergänge eine pnp-Zonenfolge erhalten wird oder aus der nach einem Epitaxie-Verfahren
eine pnp-Zonenfolge erhalten wird. Daraufhin wird eine pleitende Zone bis auf eine
verbleibende Dicke von zum Beispiel 30#um abgeätzt und mit einer Maskierschicht
bedeckt, welche für eine nachfolgende Bor-Diffusion geeignet und entsprechend einer
beabsichtigten Struktur der Steuerstrombahnen ausgeformt ist. Nach der Bor-Diffusion
oder gegebenenfalls nach einem entsprechenden Ionen-Implantationsschritt wird sodann
die diffusionsbehandelte p-leitende Zone bis zur ursprünglichen Dicke aufgefüllt
und schließlich wird mit einem weitern Epitaxieschritt eine n+-leitende Oberflächenzone
auf der p-leitenden Zone hergestellt.