DE2232859A1

DE2232859A1 - THYRISTOR

Info

Publication number: DE2232859A1
Application number: DE19722232859
Authority: DE
Inventors: Jozef Dr Cornu; Alois Dr Marek
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-12-20
Also published as: DE7224997U; CH546009A

Description

Thyristor Bekannte Thyristoren bestehen im allgemeinen aus vier Zonen, die abwechslungsweise vom n- bzw. vom p- Leitungstyp sind. Im leitenden Zustand werden die niedrig dotiertc Zonen, insbesondere die hochohmige innere n-Zone, mit Ladungsträgern überschwemmt. Diese Ueberschwemmung hat zur Folge dass bei Uebergang des Thyristors in den Sperrbereich eine Verzögerung auStritt, weil die überschüssigen Ladungsträger erst abgebaut werden müssen. Thyristor Known thyristors generally consist of four zones, which are alternately of the n- and p-conductivity type. In the conductive state the low-doped zones, in particular the high-resistance inner n-zone, with Load carriers flooded. This inundation has the consequence that at transition of the thyristor in the blocking range occurs a delay because the excess Load carriers must first be dismantled.

Da die Ladungsträgerdichte im überschwenmten Zustande etwa zehn e-Potenzen über der Trägerdichte im GleichgevJichtszustnd liegt, wird angenommen, dass bis zum vollständigen Abbau des Trägerüberschusses im Durchschnitt etwa die vier- bis zehnfache mittlere Trägerlebensdauer benötigt wird. Diese für die Rekombination als Mechanismus für den Tragerabbau, benötigte Zeit wird Freiwerdezeit genannt.Since the charge carrier density in the flooded state is about ten e-powers is above the carrier density in equilibrium, it is assumed that up to to completely reduce the carrier surplus, on average about four- up to ten times the average carrier life is required. This for recombination as a mechanism for the carrier dismantling, the time required is called the release time.

Es hat sich jedoch ergeben, dass dem Herabsetzen der Trägerlebensdauer eine Grenze gesetzt ist, insofern als unterhalb einer kritischen Lebensdauer für eine bestimmte Basisbreite der Durchlassspannungsabfall exponentionell ansteigt. Somit ist man durch Herabsetzen der Trägerlebensdauer wohl in der Lage, die Freiwerdezeit, und damit das Sperrverhalten des Thyristors zu verbessern, gleichzeitig muss man aber unterhalb einer bestimmten Grenze eine Verschlechterung des Durchlassverhaltens in Kauf nehmen.However, it has been found that the carrier life is reduced a limit is set insofar as below a critical life for a certain base width the forward voltage drop increases exponentially. Thus, by reducing the service life of the carrier, one is in a position to reduce the free time, and thus to improve the blocking behavior of the thyristor, at the same time you have to but below a certain limit a deterioration in the transmission behavior accept.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Gegensätzlichw keit der Forderungen zu überwinden, also die Trägerlebensdauer und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors weiter herabzusetzen, ohne dass eine Vergrösserung des Durchlassspannungsabfalls auftritt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine aus mindestens drei Einzelzonen bestehende Basis vorgesehen ist, wobei eine hochdotierte mittlere Einzelzone von zwei eigenleitenden Einzelzonen umgeben ist.The aim of the present invention is to address this contradiction of the requirements to be overcome, i.e. the service life of the carrier and thus the free time of a thyristor without increasing the forward voltage drop occurs. This object is achieved according to the invention in that one of at least three individual zones existing base is provided, with a heavily endowed middle Single zone is surrounded by two intrinsic single zones.

Durch diese Massnahme ist es möglich, die Tragcrlebensdauer und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors um das drei- bis vierfache gegenüber bekannten Anordnungen bei gleichem Durchlassspannungsabfall herabzusetzen.This measure makes it possible to reduce the service life of the carrier and thus the release time of a thyristor three to four times that of known ones Reduce arrangements with the same forward voltage drop.

Andererseits istes natürlich möglich, bei gleichbleibender Trägerlebensdauer den Durchlassspannungsab fall zu reduzieren.On the other hand, it is of course possible with the same carrier life to reduce the forward voltage drop.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.In the following, embodiments of the invention are based on Drawings explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, Fig. 2 das Dotierungsprofil in den Basis zonen eines mit zusätzlichen pn-Uebergängen versehenen Ausführungsbeispiels und Fig. 3 den Verlauf der Ladungsträgerdichte in der Basis für eine mit pn-Uebergängen versehene Basis und für eine Basis ohne diesepn-Uebergänge.They show: FIG. 1 the schematic representation of an exemplary embodiment, Fig. 2 shows the doping profile in the base zones of one with additional pn junctions provided embodiment and FIG. 3 shows the profile of the charge carrier density in the base for a base provided with pn junctions and for a base without these pn junctions.

Der Zusammenhang zwischen dem Durchlassspannungsabfall in der Basiszone, der Basisbreite und der Trägerlebensdauer wird näherungsweise dadurch beschrieben, dass man den Verlauf des Durchlassspannungsabfalls proportional zum Ausdruck exp (d/L) verlaufend annimmt. Darin be- deutet d die halbe Basisbreite und mit D = Diffusionskonstante und XB = Trägerlebensdauer in der Basiszone. Für jeden Wert der Basisbreite existiert somit ein kritischer Werft für die Trägerlebensdauer, bei dessen Unterschreitung der Durchlassspannungsabfall in der Basis rapid ansteigt. Andererseits ist die minimale Trägerdichte in der Basis dem Ausdruck l/cosh(d/L) proportional.The relationship between the forward voltage drop in the base zone, the base width and the carrier life is approximately described by assuming that the forward voltage drop is proportional to the expression exp (d / L). In it d indicates half the base width and with D = diffusion constant and XB = carrier lifetime in the base zone. For each value of the base width there is therefore a critical yard for the girder service life, below which the forward voltage drop in the base increases rapidly. On the other hand, the minimum carrier density in the base is proportional to the expression l / cosh (d / L).

Gemäss Fig. 1 wird nun anstelle einer einzigen hochohmigen Basis ozone eine Struktur mit drei Basiszonen il, + n , i2 vorgesehen, wobei i1 und i2 je eine intrinsische + und n eine mit Donatoren hochdotierte Zone darstellen.According to FIG. 1, ozone is now used instead of a single high-resistance base a structure with three base zones i1, + n, i2 is provided, i1 and i2 each having one intrinsic + and n represent a zone highly doped with donors.

Damit beträgt die effektive Basisbreite praktisch nur noch die Hälfte des ursprünglichen Wertes, da sich die Gesamtdicke des Thyristors nur unwesentlich vergrössert.This means that the effective base width is practically only half of the original value, as the total thickness of the thyristor is only insignificant enlarged.

Der Grund dafür besteht darin, dass die elektrische Feldstärke in der sperrenden i-Zone konstant ist, im Gegensatz zum quasilinearen Abfall in einer hochohmigen n-Zone.The reason for this is that the electric field strength in the blocking i-zone is constant, in contrast to the quasi-linear decrease in one high resistance n-zone.

Damit braucht jede der i-Zonen nur halb so dick zu sein wie die ursprüngliche n-Zone. Wegen der Halbierung der effektiven Basisbreite wird die minimale Ladungsträgerdichte etwa proportional dem Ausdruck l/cosh(d/2L).This means that each of the i-zones only needs to be half as thick as the original one n zone. Because the effective base width is halved, the minimum charge carrier density becomes roughly proportional to the expression l / cosh (d / 2L).

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrug die Trägerkonzentration für die mittlere der drei Basiszonen 1017 bis 10 cm 3.In a preferred embodiment, the carrier concentration was for the middle of the three base zones 1017 to 10 cm 3.

Die dreischichtige Mittelzone hat den Vorteil, dass die Uberschüssigen Träger nur um einen halb so grossen Weg diffundieren müssen wie im bekannten Thyristor, in bis sie Seiner hochdotierten Zone rekombinieren können.The three-layer middle zone has the advantage that the excess Carriers only have to diffuse by half the distance as in the known thyristor, in until they can recombine His highly doped zone.

Es wird bei konstantem Gradienten der Trägerdichte eine Verkürzung der Freiwerdezeit um den Faktor 2 und bei vernachlässigbarem Gradienten der Trägerdichte um den Faktor 4 erreicht, da für den zurückgelegten eg d eines Trägers in der Zeit t gilt: Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel können in den beiden schwach dotierten Basis zonen pn-Uebergänge vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Dotierungsprofil die in Fig. 2 gezeigte Gestalt haben. Dabei sind in positiver Ordinatenrichtung der Anteil der Donatoren und in negativer Ordinatenrichtung der Anteil der Akzeptoren in Abhängigkeit von der Basisbreite x aufgetragen. Mit einer derartigen Basisstruktur lässt sich eine weitere Verbesserung der minimalen Trägerdichte in der Basis in Durchlassrichtung erzielen. Fig. 3 zeigt die Trägerdichte in Abhängigkeit von der Basisbreite x ohne pn-Uebergänge (ausgezogene Linie) und mit pn-Uebergängen (gestriche)te Linie). Die pn-Uebergänge müssen relativ dünn ausgeführt sein, um ein frühzeitiges Einschalten des Thyristors zu vermeiden. Derartige Strukturen lassen sich durch Epitaxie realisiren.With a constant gradient of the carrier density, the release time is shortened by a factor of 2 and with a negligible gradient of the carrier density by a factor of 4, since the following applies to the eg d covered by a carrier in the time t: According to a further exemplary embodiment, pn transitions can be provided in the two weakly doped base zones. For example, the doping profile can have the shape shown in FIG. The proportion of donors is plotted in the positive ordinate direction and the proportion of acceptors is plotted in the negative ordinate direction as a function of the base width x. With such a base structure, a further improvement of the minimum carrier density in the base in the forward direction can be achieved. 3 shows the carrier density as a function of the base width x without pn transitions (solid line) and with pn transitions (dashed line). The pn junctions must be made relatively thin in order to avoid premature switching on of the thyristor. Such structures can be realized by epitaxy.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Thyristor, characterized in that one of minciestens three Individual zones (i1, n, i2) existing base is provided, with a highly doped middle single zone (n +) is surrounded by two intrinsic Xin zones (i1, i2).

2. Thyristor according to claim 1, characterized in that the middle Single zone (n +) in a concentration between 1017 and 1018 cm-3) is doped.

3. Thyristor according to claim 1, characterized in that the middle of three individual zones is arranged approximately in the middle of the entire base, in such a way, that the two intrinsic individual zones (i1, i2) are approximately the same thickness.

4. Thyristor according to claim 1, characterized in that in at least a pn junction is provided for an intrinsic single zone.