DE2215982C3 - Thyristor triode - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine rückwärtssperrende Thyristortriode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a reverse blocking thyristor triode according to the preamble of the claim 1.
Eine solche Thyristortriode ist bekannt aus der CH-PS 486 776. Der bekannten Thyristortriode liegt die Aufgabe zugrunde, eine gute Zündfestigkeit bei gleichzeitig guter dV/dt-Festigkeit zu erzielen. Dazu weist wenigstens eine der Basisschichten einen dem Zündbereich unterhalb der Steuerelektrode zugehörigen Bereich auf, der dünner ist und/oder in dem die Trägerlebensdauer höher ist als in der restlichen Basisschicht. Dadurch bekommt die Thyristortriode eine hohe Stromverstärkung innerhalb und eine niedrige außerhalb des Zündbereiches.Such a thyristor triode is known from CH-PS 486 776. The known thyristor triode is located the underlying task is to achieve good ignition resistance with good dV / dt resistance at the same time. In addition has at least one of the base layers associated with the ignition region below the control electrode Area that is thinner and / or in which the carrier life is higher than in the rest of the base layer. This gives the thyristor triode a high current gain within and a low one outside the ignition range.
Die bekannte Thyristortriode ist jedoch bei höheren Frequenzen, beispielsweise einigen kHz, praktisch nicht verwendbar, da beim Ausschalten die Ladungsträger in der Basis im Bereich hoher Lebensdauer erst sehr spät verschwinden, und sich dadurch eine unerträglich große Freiwerdezeit ergibt. Auch im Fall der Vorwärtsbelastung ist die bekannte Thyristortriode nachteilig, da die Erhöhung der Lebensdauer im Zündbereich zu einer stafk inhomogenen Stromver^ teilung führt.However, the known thyristor triode is practical at higher frequencies, for example a few kHz Cannot be used, as the charge carriers in the base only have a long service life when switched off disappear very late, resulting in an unbearably long free time. Even in the case of the Forward loading, the known thyristor triode is disadvantageous, since the increase in service life in the Ignition range leads to a very inhomogeneous current distribution.
Aus der DE-OS 1489013 ist ein Halbleiterbauelement für Zwecke der informations-, Steuer- und Regeitechnik bekannt, Welches parallele Bereiche mitDE-OS 1489013 discloses a semiconductor component for purposes of information, control and regulation technology known, which parallel areas with
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65 verschiedenen Stormverstärkungsfaktoren aufweist. Diese verschiedenen Stormverstärkungsfaktoren werden beispielsweise dadurch erzielt, daß Teilgebiete eines äußeren Bereiches unterschiedlich stark dotiert werden, wodurch sich für diese Teilgebiete unterschiedliche Emitterwirkungsgrade ergeben. Ferner werden Teilgebiete der Basis unterschiedlich dick gemacht, damit der Strom zuerst vorwiegend über die einen Teilgebiete und erst nach Überschreiten eines bestimmten Wertes auch über die anderen Teilgebiete fließt. Schließlich können bei dem bekannten Element zwecks Erzeugung verschiedener Stromverstärkungsfaktoren auch die Rekombinationsverhältnisse in den Teilgebieten unterschiedlich gestaltet sein. 65 different current amplification factors. These different current amplification factors are achieved, for example, in that subregions of an outer region are doped to different degrees, which results in different emitter efficiencies for these subregions. Furthermore, sub-areas of the base are made of different thicknesses so that the current first flows primarily over one sub-area and only after a certain value has been exceeded also via the other sub-areas. Finally, in the known element, for the purpose of generating different current amplification factors, the recombination ratios in the sub-areas can also be designed differently.
Dieses bekannte Halbleiterbauelement ist zur Verwendung als Thyristor für die üblichen größeren Leistungen weder gedacht noch geeignet, und schon gar nicht für die Verwendung bei höheren Frequenzen. Denn bei Thyristoren, und ganz besonders Frequenzthyristoren, kommt es natürlich entscheidend auf ein schnelles Durchzünden des ganzen Halbleiterquerschnitts an, und eine stufenweise Zündung von Teilbereichen wäre untragbar. Auch das Abschaltverhalten des bekannten Elementes wäre für Frequenz-Thyristor-Anwendungen unbrauchbar.This known semiconductor component is for use as a thyristor for the usual higher powers neither intended nor suitable, and certainly not for use at higher frequencies. Because with thyristors, and especially frequency thyristors, it is of course crucial rapid ignition of the entire semiconductor cross-section, and gradual ignition of partial areas would be intolerable. The turn-off behavior of the known element would also be for frequency thyristor applications unusable.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Thyristortriode für die Anwendung bei hohen Frequenzen, d. h. oberhalb der üblichen Netzfrequenzen, beispielsweise einigen kHz, zu schaffen, welche nicht nur ein sehr gutes Einschaltverhalten mit hohen di/ dt-Werten bei kleinen Einschaltverlusten und geringem Zündaufwand, sondern auch ein sehr gutes Ausschaltverhalten mit kleiner Freiwerdezeit und eine gute Strombelastbarkeit aufweist.It is the object of the present invention to provide a Thyristor triode for use at high frequencies, i. H. above the usual network frequencies, for example a few kHz, which not only has a very good switch-on behavior with high di / dt values with small switch-on losses and low ignition effort, but also very good switch-off behavior with a short release time and has a good current carrying capacity.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1 Features solved.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Thyristortriode in der zur ersten Zonenfolge gehörenden Steuerzone ein steileres Dotierungsprofil auf als in der zur zweiten Zonenfolge gehörenden Steuerzone. Ferner weist die zur ersten Zonenfolge gehörende Basiszone bevorzugt eine sich verästelnde Form auf oder ist in Form mehrerer Inseln angeordnet.According to a preferred embodiment, the thyristor triode according to the invention has the first zone sequence belonging control zone has a steeper doping profile than in the second zone sequence belonging tax zone. Furthermore, the base zone belonging to the first zone sequence preferably has one ramifying shape or is arranged in the form of several islands.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigtExemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to figures. Included shows
Fig. 1 schematich im Querschnitt die Struktur einer Thyristortriode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 shows a schematic cross section of the structure of a thyristor triode according to a first exemplary embodiment,
Fig. 2 die separaten Durchlaßkennlinien für die beiden Zonenfolgen A und B der Thyristortriode gemäß Fig. 1, und2 shows the separate transmission characteristics for the two zone sequences A and B of the thyristor triode according to FIGS. 1, and
Fig. 3 den Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit ringförmiger Emitterelektrode. 3 shows the section through a second exemplary embodiment with an annular emitter electrode.
In Fig. ί ist der Schnitt durch einen pnpn-Thyristor schematisch dargestellt, welcher im wesentlichen aus einer p-dotierten Emitterszone 1, einer n-dotierten Basiszone 2, einer mit einem Steueranschluß Gr versehenen p-dotierten Steuerzone 3 und einer n-dotierten weiteren Emitterzone 4 besteht. Ein erster Bereich, welcher in Fig. 1 als Zonenfolge A bezeichnet ist, ist so ausgebildet, daß die Ladungsträger in der Basiszone 2 eine höhere Lebensdauer aufweisen als in den benachbarten Bereichen der Basiszone 2, welche zu einer Zonenfolge B gehören. Die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone 2 der Zonen-In Fig ί. The cut is schematically represented by a pnpn thyristor which doped p-essentially of an emitter region 1, an n-doped base region 2, a r a control terminal G provided p-doped control region 3 and an n-doped further emitter zone 4 exists. A first region, which is designated in Fig. 1 as the zone sequence A, is so designed that the charge carriers in the base region 2 have a longer life than in the adjacent areas of the base region 2, which belong to a zone sequence B. The lifetime of the charge carriers in base zone 2 of the zone
folge A ist mit τ, bezeichnet, und in der Basiszone 2 der Zonenfolge B mit r2, wobei r, < r,.sequence A is denoted by τ, and in the base zone 2 of the zone sequence B by r 2 , where r, <r ,.
Wird der pn-Übergang zwischen den Zonen 3 und 4 nun einem über die Steuerelektrode G7- zugeführten Steuerstrom ausgesetzt, so wird der Thyristor innerhalb der Zonenfolge A, in deren Basiszone 2 die Ladungsträger die höhere Lebensdauer haben, schneller eingeschaltet als in der Zunenfolge B, Fließen jedoch einmal Ladungsträger innerhalb der Zonenfolge A, so breitet sich der Ladungsträgerstrom schnell auch auf die restliche Struktur aus.If the pn junction between zones 3 and 4 is now exposed to a control current supplied via control electrode G 7 , the thyristor within zone sequence A, in whose base zone 2 the charge carriers have the longer service life, is switched on faster than in pin sequence B. However, if charge carriers flow once within zone sequence A , the charge carrier current quickly spreads to the rest of the structure.
Die erwähnte Ausbreitung des Stromflusses kann durch besondere Ausbildung der Elektroden gefördert werden. So kann beispielsweise ein sogenannter Querfeldemitter vorgesehen sein, bei welchem ein in der Nähe der Steuerelektrode gelegener Teilbereich des mit der Steuerelektrode zusammenwirkenden Emitter?, nicht metallisch kontaktiert ist. Es tritt dann eine zusätzliche Begrenzung des Ladungsträgerstromes durch den transversalen Bahnwiderstand der nicht kontaktierten Emitterzone auf. Durch ein elektrisches Driftfeld entsteht eine örtliche Ai-sdehnung des stromführenden Teils, wodurch die am Stromtransport beteiligte Fläche von der zuerst gezündeten kleinen Umgebung in der Nähe der Steuerlektrode auf die gesamte Randzone der Aussparung des Metallkontaktes vergrößert wird.The mentioned expansion of the current flow can be promoted by the special design of the electrodes will. For example, a so-called transverse field emitter can be provided in which an in the sub-area of the area that interacts with the control electrode and is located in the vicinity of the control electrode Emitter ?, not in metallic contact. There is then an additional limitation of the charge carrier current due to the transverse resistance of the uncontacted emitter zone. By an electric Drift field creates a local expansion of the current-carrying part, whereby the area involved in the current transport differs from the one that was ignited first small area near the control electrode on the entire edge zone of the recess of the metal contact is enlarged.
Da der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung für einen bestimmten Strom in der Zonenfolge A wegen der höheren Lebensdauer T1 der Ladungsträger geringer sein würde als in der Zonenfolge B - vorausgesetzt, daß in beiden Zonenfolgen das gleiche Dotierungsprofil existiert -, würde eine inhomogene Stromverteilung entstehen. Um dies zu vermeiden, wird eine Durchlaßlinie für die beiden Zonenfolgen A und B gemäß Fig. 2 gewählt. Dabei ist im Betriebsbereich, also in der Nähe einer Nennspannung Us . die Steigung der Durchlaßkennlinie für die Zonenfolge A geringer als diejenige für die Zonenfolge B. Zur Erzielung einer derartigen Kennlinie werden die äußeren Bereiche der Emitterzonen 1 und 4 innerhalb der ersten Zonenfolge A schwächer p- bzw. schwächer ndotiert, als in den entsprechenden Zonen 1. 4 innerhalb der zweiten Zonenfolge B. Dadurch wird die Injektion von Ladungsträgern in der Basiszone 2 innerhalb der ersten Zonenfolge A hei hohen Strömen geringer als bei gleichmäßiger Dotierung. Dies hat einen erwünschten höheren Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung bei hohen Strömen zur Folge. Wegen der erhöhten Lebensdauer τ, der Ladungsträger übernimmt die erste Zonenfolge A im Vergleich zur zweiten Zonenfolge B im Betriebsbereich nur einen relativ geringen Strom. Die Ladungsträgerdichte in der Basiszone 2 der Zonenfolge A ist also relativ gering. Wird der so aufgebaute Thyristor ausgeschaltet, so finden in den Gebieten mit geringer Lebensdauer starke Rekombinationseffekte der Ladungsträger statt. In denjenigen Gebieten, in welchen die Lebensdauer größer ist, war jedoch die Ladungsträgerdichte bereits vor dem Ausschalten geringer, so daß durch die Zonenfolge A die gesamte Freiwerdezeit des Thy= ristörs nicht vergrößert wird.Since the voltage drop in the forward direction for a certain current in zone sequence A would be lower than in zone sequence B due to the longer life T 1 of the charge carriers - provided that the same doping profile exists in both zone sequences - an inhomogeneous current distribution would result. In order to avoid this, a pass line is selected for the two zone sequences A and B according to FIG. It is in the operating range, that is, in the vicinity of a nominal voltage U s . the slope of the transmission characteristic for zone sequence A is less than that for zone sequence B. To achieve such a characteristic curve, the outer areas of emitter zones 1 and 4 within first zone sequence A are less p- or n-doped than in the corresponding zones 1. 4 within the second zone sequence B. As a result, the injection of charge carriers in the base zone 2 within the first zone sequence A is lower with high currents than with uniform doping. This results in a desired higher voltage drop in the forward direction at high currents. Because of the increased service life τ, of the charge carriers, the first zone sequence A takes on only a relatively small current in comparison to the second zone sequence B in the operating range. The charge carrier density in the base zone 2 of the zone sequence A is therefore relatively low. If the thyristor constructed in this way is switched off, strong recombination effects of the charge carriers take place in the areas with a short service life. In those areas in which the service life is longer, however, the charge carrier density was already lower before switching off, so that the zone sequence A does not increase the total release time of the thyroid.
Ein besonders Vorteilhafter Thyristor der beschriebenen Art besteht aus einem in Fig. 3 im Schnitt gezeigten kreisförmigen Halbleiterplättchen mit einer pnpn-ZonenfoIge.'.vobei auf die oberste p-Zone 1 ein diese Zone nicht vollkommen überdeckender, als Anode A7 wirkender, ringförmiger Metallkontakt 5 aufgebracht ist. In der p-Zone 3 ist ein Steuerkontakt 6 bzw. Steueranschluß G7 angebracht und über der n-Zooe 4 ein Kathodenkontakt K1. Unterhalb des vom Metallkontakt 5 nicht bedeckten Teils befindet sich zweckmäßigerweise derjenige Teil der Basiszone 2, welcher für die Ladungsträger die höhere Lebensdauer T1 aufweist. Dieser Teil der Zone 2 mit erhöhter Lebensdauer τ, muß nicht ringförmig begrenzt sein, sondern kann auch eine sich verästelnde Form aufweisen, z. B. eine Sternform. Er kann auch in Form mehrerer Inseln angeordnet sein. Die Ausbreitung des sich bildenden Plasmas geht bekanntlich in Gebieten mit hoher Lebensdauer der Ladungsträger schneller vonstatten als in den anderen Gebieten. Durch geeignete Wahl des Musters für die Basiszone 2 innerhalb der Zonenfolge A kann daher die Stromanstiegsgeschwindigkeit dl/dt des Thyristors wesentliche verbessert werden.A particularly advantageous thyristor of the type described consists of a circular semiconductor plate shown in section in FIG. 3 with a pnpn zone shape, with an annular metal contact acting as anode A 7 on the uppermost p zone 1, which does not completely cover this zone 5 is applied. A control contact 6 or control connection G 7 is attached in the p-zone 3 and a cathode contact K 1 is provided above the n-zone 4 . The part of the base zone 2 which has the longer service life T 1 for the charge carriers is expediently located below the part not covered by the metal contact 5. This part of zone 2 with increased service life τ does not have to be delimited in an annular manner, but can also have a branching shape, e.g. B. a star shape. It can also be arranged in the form of several islands. As is known, the spreading of the plasma that forms is faster in areas with a long service life of the charge carriers than in the other areas. By a suitable choice of the pattern for the base zone 2 within the zone sequence A , the rate of increase in current dl / dt of the thyristor can be significantly improved.
Der beschriebene Thyristor läßt sich auch durch Überschifciten der Kippspannung zünden, da die erste Zonenfolge A, also gemäß Fig. j der mittlere Bereich, leichter einschaltbar ist als das übrige Gebiet. Durch Änderung des Dotierungsprofils der Zonenfolgen A und B in der p-Zone 3 können die Bfockier- und Sperrkennlinien der beiden Zonenfolgen weitgehend h^stimmt werden. Es lassen sich auf diese Weise Differenzen von etwa 300 Volt erreichen.The thyristor described can also be triggered by overshooting the breakover voltage, since the first zone sequence A, that is to say the middle region according to FIG. J , can be switched on more easily than the rest of the region. By changing the doping profile of the zone sequences A and B in the p-zone 3, the Bfockier and blocking characteristics of the two zone sequences can be largely correct. In this way, differences of around 300 volts can be achieved.
Durch die Wahl des Dotierungsprofils ist es möglich, die Eindringtiefe der Raumladungszone in die Basiszone 2 zu bestimmen. Wenn in der p-Zone 3 das Dotierungsprofil innerhalb der ersten Zonenfolge A steller gewählt wird als in dem übrigen Bereich, ergibt sich eine größere Eindringtiefe der Raumladungszone in die n-Basiszone 2 innerhalb der ersten Zonenfolge A. Dadurch läßt sich der Thyristor dort leichter einschalten, da die neutrale η-Basiszone dünner wird. Da eine hohe Ladungsträgerlebensdauer und ein steiles Dotierungsprofil die gleiche Wirkung haben, können sie sowohl einzeln als auch in Kombination zur Verbesserung der Zündeigenschaften des Thyristors verwendet werden.By choosing the doping profile, it is possible to determine the depth of penetration of the space charge zone into the base zone 2. If in the p-zone 3 the doping profile within the first zone sequence A is selected more strongly than in the rest of the area, the result is a greater penetration depth of the space charge zone into the n-base zone 2 within the first zone sequence A. This makes it easier for the thyristor to be switched on there as the neutral η base zone becomes thinner. Since a long charge carrier lifetime and a steep doping profile have the same effect, they can be used both individually and in combination to improve the ignition properties of the thyristor.
ns sei noch erwähnt, daß die zur Verbesserung des Einschaltverhaltens gewählte hohe Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb der Zonenfolge A nur in der Nähe der Anode AT notwendig ist, d. h. daß gegebenenfalls die Lebensdauer auf der Kathodenseite so geringgewählt werden kann wie in der restlichen Struktur. It should also be mentioned that the long service life of the charge carriers selected to improve the switch-on behavior is only necessary in the vicinity of the anode A T within the zone sequence A , ie that the service life on the cathode side can be selected as short as in the rest of the structure.
Zur Erzeugung einer geringeren Lebensdauer der Ladungsträger in der Zonenfolge B werden Rekombinationszentren in einer dem Fachmann bekannten Weise eindiffundieit. Ein solcher Diffusionsprozfß kann mit Au oder Ni oder einem anderen die Lebensdaut. leduzierenden Stoff erfolgen. Dabei muß der der Zonenfolge A entsprechende Bereich mit Hilfe der Maskierungsuchnik abgedeckt werden.In order to produce a shorter service life for the charge carriers in the zone sequence B , recombination centers are diffused in in a manner known to the person skilled in the art. Such a diffusion process can with Au or Ni or some other life. led by substance. The area corresponding to the zone sequence A must be covered with the help of the masking technique.
Zur Erzeugung der geringeren Dotierung innerhalo der n-Zone 4 in der Zonenfolge A kann dieses Gebiet während einer η'-Diffusion mit Hilfe der Maskierungstechnik abgedeckt werden. Ähnliches gilt für die Erzeugung einer geringeren Dotierung innerhalb der p-Zone 1 der ersten Zonenfolge A, Eine unterschiedliche Dotierung kann nicht nur durch unterschiedlicht· Maskierung, sondern auch durch unterschiedlichste Wahl der niederzuschlagenden Stoffe hergestellt Werden. Die Unterschiede innerhalb des Dotierungsprofils können durch unterschiedliche p-Dotierstoffe hergestellt werden.In order to generate the lower doping within the n-zone 4 in the zone sequence A , this area can be covered during an η'-diffusion with the aid of the masking technique. The same applies to the generation of a lower doping within the p-zone 1 of the first zone sequence A. Different doping can be produced not only by different light masking, but also by a wide variety of choices of the substances to be deposited. The differences within the doping profile can be produced by different p-dopants.
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