DE2214187C3

DE2214187C3 - Thyristor

Info

Publication number: DE2214187C3
Application number: DE19722214187
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 8000 Muenchen Ganner; Fritz Dipl.-Ing. 8044 Lohhof Kirschner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-23
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1978-05-03
Also published as: GB1366845A; DE2214187A1; FR2177045B1; DE2214187B2; NL7301561A; CH548113A; JPS498185A; FR2177045A1; IT981550B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die eine äußere Zone eine kreisförmige Katnode mit einer zentralen Aussparung bildet, in welcher eine mit der zweiten Zone verbundene Zündelektrode angeordnet ist und die andere äußere Zone die Anode bildet, und mit einem in dem Halbleiterkörper integrierten weiteren Bauelement

Ein solcher Thyristor ist beispielsweise in der DT-OS 086 beschrieben worden. Als integriertes weiteres Bauelement ist eine antiparallel geschaltete Diode vorgesehen. Dadurch sperrt der Thyristor nur in der Vorwärtsrichtung, kann jedoch in Rückwärtsrichtung keine Sperrspannung aufnehmen. Die äußere Zone dieses Thyristors weist eine kreisförmige Kathode mit einer zentralen Aussparung auf, in der eine mit der zweiten Zone verbundene Zündelektrode angeordnet ist Der Halbleiterkörper ist zylindrisch ausgebildet und die Anode und Kathode der Diode haben Kreisringform.

Ein Thyristor mit kreisringförmiger Gestalt des Halbleiterkörpers und kreisringförmiger Ausbildung der Kathode sowie mit einer zentralen Aussparurg, in der die Zündelektrode angeordnet ist, hat im allgemeinen günstige Eigenschaften bezüglich der Ausbreitung 6;; des Zündvorgangs. Bei Thyristoren, deren Halbleiterkörper eine Fläche von 10 mm² oder weniger aufweisen, muß der Halbleiterkörper aus großflächigen Halbleiterscheiben ausgeschnitten werden. Ein Herausschneiden von kleinen, runden Halbleiterkörpern aus großen Halbleiterscheiben ist jedoch technisch aufwendig, und außerdem ist der Abfall an Halbleitermaterial beträchtlich.

In der DE-AS 12 75 208 ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter beschrieben worden, dessen Halbleiterkörper aus einer großflächigen Halbleiterscheibe ausgeschnitten ist Zur guten Ausnutzung des Halbleitermaterials sind die Schnitte sektorförmig durch die großflächige Halbleiterscheibe gelegt Die Kathode ist kreisrund ausgebildet und damit der Form des Halbleiterkörpers nicht angepaßt Hinweise darauf, daß die Kathode dem Halbleiterkörper angepaßt werden sollte oder wie die Form der Elektroden bzw. der Kathode zu wählen ist, wenn mehr als ein Bauelement optimal auf einem Halbleiterkörper unterzubringen ist, sind der genannten Veröffentlichung nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß er einerseits gute Ausbreitungseigenschaften hat und andererseits leicht hergestellt werden kann.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß der Halbleiterkörper quadratische Form hat und daß das integrierte weitere Bauelement mindestens den größten Teil der restlichen Fläche des Quadrats einnimmt

Das integrierte weitere Bauelement kann eine zum Thyristor antiparallel geschaltete Diode, Vierschichtdiode oder auch ein Fünfschichter sein. Der seitliche Abstand zwischen der Anode der Diode und der Kathode des Thyristors und zwischen der Kathode der Diode und Anode des Thyristors beträgt zweckmäßigerweise mindestens zwei Diffusionslängen. Die Kathoden und Anoden des Thyristors und der Diode können gemeinsame Elektroden aufweisen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Aufsicht auf den Halbleiterkörper des Thyristors ohne Elektroden in Pfeilrichtung /,

Fig.2 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig.3 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 hat quadratische Form und ist mit einer ersten Zone, der Kathode 1 aus z. B. η-leitendem Silicium versehen. Die Kathode 1 ist kreisförmig ausgebildet und weist eine zentrale Aussparung auf, in der eine Zündelektrode 6 angeordnet ist Die Zündelektrode 6 ist mit der zweiten Zone 2 des Halbleiterkörpers, der Basiszone elektrisch verbunden. Diese Basiszone hat positive Leitfähigkeit und wird daher in folgendem als p-Basiszone bezeichnet Die Randkonzentration der Dotierung beträgt z. B. 19^l7cm-³. Der Halbleiterkörper weist eine weitere Zone 7 auf, die die Anode einer in den Halbleiterkörper integrierten Diode darstellt Die Anode 7 der Diode reicht bis an den Rand des quadratischen Halbleiterkörpers. Durch diese Formgebung der Kathode des Thyristors der Lage der Zündelektrode einerseits und der Anode der antiparallel geschalteten Diode andererseits wird erreicht, daß sich der Zündvorgang gleichmäßig nach allen Seiten ausbreitet und daß andererseits der zur Verfügung stehende quadratische Halbleiterkörper gut ausgenutzt wird.

In Fig.2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Halbleiterkörper des Thyristors weist eine dritte Zone 3 auf, die im

Vergleich zu den anderen Zonen schwach negativ dotiert ist (s„) und als η-Basis bezeichnet wird. Die Dotierungskonzentration kann z. B. 10¹⁴ cm-³ betragen. Die Anode des Thyristors ist mit 4 bezeichnet, sie weist positive Leitfähigkeit auf. Sie ist z.B. mit IC¹⁹Cm-³ dotiert Eine mit 8 bezeichnete Zone am Rand des Halbleiterkörpers stellt die Kathode der Diode dar. Die Kathode 1 des Thyristors ist mit einer Elektrode 5 und die Anode des Thyristors mit einer Elektrode 9 versehen. Diese Elektroden sind elektrisch mit der p-Basis 2 und der n-Basis 3, außerdem mit der Anode 7 und der Kathode 8 der Diode verbunden. Dies bewirkt einen starken Nebenschluß für den Thyristor, der dadurch unempfindlich gegenüber steilen Spannungsanstiegen wird. Die Anode 7 der Diode ist stark positiv, z. B. 10²⁰ cm-³ und die Kathode der Diode stark negativ dotiert.

Wird an die Elektrode 5 negatives und an die Elektrode 9 positives Potential gelegt, so kann der Thyristor durch eine an die Zündelektrode 6 gelegte positive Spannung gezündet werden. Die integrierte Diode, die durch die stark dotierten Zonen 7 und 8 die schwach dotierten Zonen 2 und 3 gebildet wird, ist bei der angegebenen Polarität gesperrt

Wird an die Elektrode 5 positives und an die Elektrode 9 negaiives Potential gelegt so ist die integrierte Diode leitend und gestattet einen Stromfluß in negativer Richtung. Ein solcher Thyristor mit integrierter antiparalleler Diode kann z. B. dazu benutzt werden, die Leistung eines Schwingkreises zu steuern. Der Thyristor wird während der positiven Halbwelle gezündet und die negative Halbwelle des Stroms kann die Diode dann ungehindert durchfließen.

Der Strom in der Diode wird durch Ladungsträger beiderlei Polarität gebildet, die das schwach leitende, aus den Zonen 2 und 3 gebildete Mittelgebiet des Halbleiterkörpers überschwemmen. Beim Nulldurchgang des Stroms durch die integrierte Diode befinden sich jedoch noch gespeicherte Ladungsträger im genannten Mittelgebiet die beim Umkehren der Spannung am Thyristor zur Kathode bzw. Anode des Thyristors wandern und dort eine unerwünschte Zündung des Thyristors auch ohne anliegenden Zündstrom bewirken können. Es ist daher empfehlenswert, die antiparallel geschaltete Diode vom Thyristor soweit zu entfernen, daß die in der Diode gespeicherten Ladungsträger auf ihrem Weg zur Kathode bzw. Anode des Thyristors soweit durch Rekombination beseitigt sind, daß keine unbeabsichtigte Zündung des Thyristors mehr bewirkt werden kann. Der in F i g. 2 mit d bezeichnete Abstand zwischen Diode und Thyristor sollte daher zweckmäßigerweise mindestens zwei Diffusionslängen betragen und kann z.B. 100 μσι groß sein.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist statt der antiparaliel geschalteten Diode eine anüparallel geschaltete Vierschichtdiode integriert Gleiche Teile wie in F i g. 2 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die untere Zone des Thyristors erstreckt sich über die ganze Breite des Halbleiterkörpers und ist mit 10 bezeichnet Der zwischen der Zone 8 liegende Teil der Zone 10 bildet die Anode des Thyristors. Die integrierte, antiparallel geschaltete Vierschichtdiode wird durch die Zonen 8, 10, 3 und 2 gebildet Die Wirkungsweise des gezeigten Halbleiterbauelementes unterscheidet sich insofern von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2, als die Vierschichtdiode erst bei Oberschreiten einer bestimmten Spannung, der sogenannten Kippspannung, leitend wird. Der Widerstand dieser Vierschichtdiode bricht dann zusammen und schützt den Thyristor vor Überspannungen in Sperrichtung. Die Kippspannung der Vierschichtdiode muß daher niedriger gewählt werden als die höchst zulässige Sperrspannung des Thyristors.

Statt der Vierschichtdiode kann auch ein Fünfschichter in den Thyristor integriert werden. Dieser hat etwa die gleiche Wirkungsweise wie eine Vierschichtdiode. Ihre Spannung sinkt beim Kippen jedoch nur auf die Zenerspannung eines der äußeren pn-Übergänge.

Die in den Ausführungsbeispielen nach F i g. 2 und 3 gezeigten Zonenfolee npnp für den Thyristor ist für die Erfindung nicht von Bedeutung. Die Zonenfolge des Thyristors kann auch pnpn sein. Bei der integrierten Diode müssen dann Anode und Kathode ihren Platz vertauschen. Die Dotierung der einzelnen Zonen kann in bekannter Weise z. B. durch Maskierung und Diffusion erfolgen.

Der Vorteil einer solchen integrierten Anordnung besteht neben den eingangs erwähnten Vorteilen auch darin, daß für zwei Bauelemente nur ein Gehäuse und ein Kühlkörper benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß der Thyristor von der Diode allseitig umschlossen wird und somit die übliche Oberflächenbehandlung der pn-Übergänge nur noch an einem einzigen Halbleiterkörper üurchgeführt werden muß. Ein praktisches Ausführungsbeispiel kann eine Kantenlänge des Halbleiterkörpers von 3 mm, einen Außendurchmesser der Kathode von 2,4 mm und einen Durchmesser der Aussparung von 0,8 mm haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, s von denen die eine äußere Zone eine kreisförmige Kathode mit einer zentralen Aussparung bildet, in welcher eine mit der zweiten Zone verbundene Zündelektrode angeordnet ist und die andere äußere Zone die Anode bildet, und mit einem in dem Halbleiterkörper integrierten weiteren Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper quadratische Form hat und daß das integrierte weitere Bauelement mindestens den größten Teil der restlichen Fläche des Quadrats einnimm L

2. Thyristor nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte weitere Bauelement eine zum Thyristor (1,2,3,4) antiparallel geschaltete Diode (8,3,2,7) ist

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte weitere Bauelement eine zum Thyristor (1,2,3,4) antiparallel geschaltete Vierschichtdiode (8,10,3,2) ist

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte weitere Bauelement ein zum Thyristor parallel geschalteter Fünfschichter ist.

5. Thyristor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand zwischen der Anode (7) der Diode und der Kathode (1) des Thyristors und zwischen der Kathode (8) der Diode und Anode (4) des Thyristors mindestens zwei Diffusionslängen beträgt

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden und Anoden gemeinsame Elektroden (5,9) aufweisen.