DE2238564C3 - Thyristor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechlelnden
Leitungstyps, von denen die erste Zone eine Hauptemitterzone, die zweite Zone eine erste Basiszone
und die dritte Zone eine zweite Basiszone bildet, mit einer Emitterelektrode auf der ersten Zone und einer
Zündelektrode auf der ersten Basiszone, mit einer xündverstärkenden Hilfsanordnung.
Solche Thyristoren sind bereits beschrieben worden; (vgl. beispielsweise »Electro-Technology«, Juni 1969,
Se*.te31). Die zundverstärkenden Hilfsanordnungen
haben den Zweck, den Thyristor auch mit einem niedrigen Steuerstrom schnell und sicher zu zünden.
Schnelles und sicheres Zünden bedeutet hier, daß der
Zündvorgang möglichst auf der ganzen Fläche des Thyristors gleichmäßig einsetzt. Dies ist im allgemeinen
nur dann kein Problem, wenn der Zündstrom genügend hoch ist· Nur dann setzt der Zündvorgang linienförmig
oder flächenhaft ein, so daß eine zu hohe spezifische Belastung und Zerstörung des Thyristors vermieden
wird.
Es ist nämlich im allgemeinen erwünscht, einen Thyristor wegen des geringeren Aufwandes für die
Steuerschaltung mit niedrigem Strom zu zünden. Wird ein niedriger Strom in die Steuerstrecke eines
Thyristors ohne zündverstärkende Hilfsanordnung eingespeist, so zündet der Thyristor zunächst nur in
einem kleinen, punktförmigen Bereich. Dieser punktförmige Bereich muß den ganzen Laststrom übernehmen,
was eine hohe spezifische Belastung dieses Bereiches zur FoIgU hat Es kommt dort daher zur Überhitzung
und Zerstörung des Halbleiterkörpers. Der Thyristor ist
ίο damit nicht mehr brauchbar.
Daher sind Thyristoren mit verschiedenen Hilfsanordnungen entwickelt worden, die alle zum Ziele haben,
bei möglichst kleinem Steuerstrom schon eine linienförmige oder flächenhafte Zündung des Thyristors zu
erreichen. Diese Anordnungen bewirken eine Verstärkung des über die Zündelektrode eingespeisten
Steuerstromes. Meist wird dies dadurch erreicht, daß die Hilfsanordnung des Thyristors zuerst gezünde: wird und
der Laststrom dieses Bereiches dann ganz oder teilweise wieder als Steuerstrom für den eigentlichen
Thyristor verwendet wird. Durch geeignete Dimensionierung läßt sich erreichen, daß der so erzeugte
Steuerstrom um ein Vielfaches größer ist als der eingespeiste Steuerstrom und daß der eigentliche
Thyristor linienförmig oder flächenhaft gezündet wird. Damit wird die eingangs beschriebene Gefahr der
lokalen Überhitzun g und Zerstörung des Bauelementes erheblich herabgesetzt. Durch das schnelle Zünden des
eigentlichen Thyristors ist die zuerst gezündete
Hilfsanordnung vor Überlastung und Zerstörung geschützt. Beispiele mit zündverstärkenden Hilfsanordnungen
sind das »amplifying gate«, der Querfeldemitter und eine Kombination aus beiden, das »regenerative
gate«. Diese Anordnungen sind beschrieben z. B. in der
Zeitschrift »Electro-Technology«, Juni 1969. Seite 31 bzw. »Zeitschrift für angewandte Physik XIX. Band,
Heft 5. 1965, Seite 396 bis 400 bzw. »Electronics«, September 1968, Seiten 96 bis 100. Zur Vereinfachung
der Beschreibung wird im folgenden an Stelle von
■»ο »Zündverstärkender Hilfsanordnung«, von »Hilfsthyristör«
und an Stelle von »eigentlichem Thyristor« von »Hauptthyristor« gesprochen.
Bei den bekannten Thyristoren ist die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors
und damit ein xhutz des Hauptthyristors nur dann gewährleistet, wenn der Zündstrom für den Hauptthyristor
über die Zündelektrode fließt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann bekanntlich auch
durch eine an die Laststrecke angelegte Spannung über
■>o Kopf gezündet werden. Diese Art der Zündung wird bei
Anlegen einer die Kippspannung des Thyristors überschreitenden Spannung an die Laststrecke im
allgemeinen durch einen l.awinendurchbruch des sperrenden pn-Überganges erzielt. Beim llberkopfzün·
w den ist aber nicht sichergestellt, daß der beim
Lawinendurchbruch fließende Strom auf dem Weg zum Emitter des Thyristors seinen Weg über den des
Hilfsthyristors nimmt. Das heißt, in diesem Betriebsfall kann der Hauptthyristor trotz Vorhandensein eines
Hilfsthyristors zuerst gezündet werden
Im älteren deutsehen Patent 21 40 993 wurde bereits
eine Lösung dieses Problems vorgeschlagen. Diese Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die zweite
Basiszone einen unterhalb der Zündelektrode liegenden Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand
niedriger als der der übrigen zweiten Basiszone ist, wobei der Bereich nicht über den dem Emitter
zugewandten Rand des Hilfsemitters hinausragt.
OO IQ. Ζ&
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen anderen Weg zur Lösung des oben genannten Problems
anzugeben.
Die Erfindung besteht darin, daß die zweite Basiszone mindestens einen Bereich aufweist, bei dem der
Quotient aus spezifischem Widerstand der zweiten Basiszone und dem Quadrat der Dicke der zweiten
Basiszone größer als im übrigen Teil der zweiten Basiszone ist ·τ.ά daß der Bereich die Hauptemitterzone
nicht überlappt.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteiansprüche.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es
zeigt
Fi g. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleiterelement
eines Thyristors nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig.2 den radialen Verlauf des spezifischen Widerstandes
in der zweiten Basiszone des Halbleiterelementes nach Fig. 1,
F i g. 3 den Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem zweiten AusfC.irungsbeispiel
und
F i g. 4 den Verlauf von Kurven maximaler Sperrspannung
in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der zweiten Basiszone mit der Dicke der zweiten Basiszone
als Parameter.
Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 weist vier Zonen abwechselnden Leitungstyps auf. Die erste Zone bildet
den Emitter des Hauptthyristors und ist mit 1 bezeichnet Die zweite Zone 2 bildet die erste Basiszone.
Die dritte Zone 3 bildet die zweite Basiszone. Diese ist mit einem Bereich 10 versehen, dessen spezifischer
Widerstand durch geringere Dotierung höher als der der zweiten Basiszone 3 außerhalb des Bereiches ist. Die
vierte Zone 4 bildet eine zweite Emitterzone. Die erste Emitterzone 1 ist mit einer Emitterelektrode 6 und die
zweite Emitterzone 4 mit einer Elektrode 7 versehen. Auf der ersten Basiszone 2 ist eine Zündelektrode 8
angebracht Zwischen der Zündelektrode 8 und der Emitterelektrode 6 liegt der Hilfsemitter 5 eines
Hilfsthyristors. Der Hilfsemitter 5 ist mit einer Elektrode 9 versehen, die auf der von der Zündelektrode
8 abgewandten Seite mit der ersten Basiszone 2 elektrisch verbunden ist. Die Emitterelektrode 6 weist
auf ihrer 'om Hilfsemitter 5 abgev,andten Seite einen Nebenschluß zur Basiszone 2 auf. Dieser Nebenschluß
wird durch in der Emitterzone angebrachte Ausnehmungen, durch die die Basiszone bis zur Elektrode 6
durchgreift, verstärkt.
Der Hilfsemitter 5. die erste Basiszone 2, der Bereich
10 der zweiten Basiszone 3. die zweite Emitterzone 4
bilden zusammen einen Hilfsthyristor. Da der spezifische Widerstand des Bereiches 10 höher ist als des
übrigen Teiles der zweiten Basiszone, liegt die Durchbruchspannung des Hilfsthynsiuis mtdngci dlb
die Durchbruchspannung des Hauptthyristors. Wird an die Elektroden 6 und 7 eine Spannung angelegt, die die
Kippspannung des Hilfsthyristors überschreitet, so tritt am sperrenden pn-übergang des Hilfsthyristors ein
Durchbruch auf. Der Strom nimmt dann, wie durch die Pfeile angedeutet, seinen Weg durch die Zonen 4,3 und
2 in Richtung auf den Hilfsemitter 5 zu. Dann fließt der Strom waagrecht unter dem pn-übergang zwischen den
Zonen 2, 5 bzw. 1, 5 zur Emitterelektrode 6 des Hauptthyristors. Der Strom erzeugt hier an den
pn-Übergängen zwischen, den genannten Zonen einen Spannungsabfall, der am pn-übergang /.wischen dem
Hilfsemitter 5 und der ersten Basiszone 2 durch entsprechende Dotierurg, Dimensionierung und Anordnung
der Nebenschlüsse größer ist als an jedem Punkt des pn-Überganges zwischen der ersten Emitterzone 1
und der ersten Basiszone 2. Dann wird der Hilfsthyristor zuerst gezündet. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt
dann durch die Elektrode 9 durch die erste Emitterzone 1 zur Elektrode 6 und zündet den Hauptthyristor, der
aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 besteht Da der Laststrom
ίο des HilfEthyristors einen starken Zündstrom für den
Hauptthyristor bildet, zündet dieser relativ großflächig. Eine hohe spezifische Belastung des Thyristors wird
damit vermieden.
Der spezifische Widerstand des Bereiches 10 liegt zweckmäßigerweise um 5 bis 40% höher als der
spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Emitterzone 3. Der Bereich 10 darf den Emitter 1 nicht
überlappen, da sonst der beim Durchbrach fließende Strom unter Umgehung des Hiifsemitters in die
Emitterelektrode 6 fließen würde, ^ine Zündung des
Hilfsihyristors vor dem Hauptthyn^ior würde damit
nicht mehr gewährleistet sein. Die übrige Dimensionierung des Thyristors unterscheidet sich nicht von einem
normalen Thyristor. Der Bereich 10 kann z. B. durch Ausätzen eines Fensters und nachfolgendes epitaktisches
Abscheiden von entsprechend dotiertem Halbleitermaterial erzeugt werden. Hierfür genügt es unter
Umständen, daß sich der Bereich 10 nur über einen Teil der Dicke der Basiszone 3 erstreckt Fs besteht jedoch
JO auch die Möglichkeit, beim Zerteilen eines zonengeschmolzenen Stabes aus Halbleitermaterial Scheiben
mit entsprechendem Verlauf des spezifischen Widerstandes durch Messungen herauszusuchen. Bei einer
solchen Scheibe weist der Verlauf des spezifischen Widerstandes auch in äen Zonen 2 und 4 eine
entsprechende Erhöhung des spezifischen Widerstandes auf. Da diese Zone'i durch nachfolgende Dotierungspiozesse
um mindestens 1 bis 3 Zehnerpotenzen höher dotiert sind als die zweite Basiszone 3. spielt die
Erhöhung des spezifischen Widerstandes um 5 bis 40%, bezogen auf die wesentlich niedrigere Dotierung der
zweiten Basiszone 3, überhaupt keine Rolle.
In F i g. 3 ist der Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
gezeigt. Das Halbleiterelement weist eine erste Emitterzone 11, eine erste Basiszone 12. eine
zweite Basiszone 13 und eine zweite Emitterzone 14 auf. Die erste Emitterzone 11 ist mit einer Elektrode 16 und
die zweite Emitterzone 14 mit einer Elektrode 17 verbunden. Die erste Basiszone 12 und die zweite
Basiszone 13 weisen im Zentrum Vertiefungen 22 bzw. 21 auf. Jn der Vertiefung 22 der ersten Basiszone 12 Ut
eine Zündelektrode 18 angeordnet. Zwischen der Zündelektrode 18 und der ersten Emitterzone 11 liegt
ein Hilfsemitter 15. der mit einer Elektrode 19 versehen
isi. Diese IM aui uci vuji uci Zunucici^iiudc ίο
abgewandten Seite elektrisch mit der ersten Basiszone 12 verbunden. Die Elektrode 16 ist auf der vom
Hilfsemitter 15 angewandten Seite elektrisch mit der
m> ersten Basiszone 12 verbunden. Der Hauptthyristor
wird durch die Zonen 11, 12, 13 und 14 gebildet. Der Hilfsthyristor wird gebildet durch die Zonen 15, 12,14
und einen durch die Fläche der Vertiefung 21 bestimmte, durch gestrichelte Linien angedeuteten Bereich 23 in
&5 der zweiten Basiszo.i? 13.
Wird an die Elektroden 16 und 17 eine die Durchbruchspannung des Hilfsthyristors übersteigende
Spannung angelegt, so bricht dieser auf Grund der
geringeren Dicke seiner zweiten Basiszone vor dem Hauptthyristor durch. Dabei fließt entsprechend den
Ausführungen in F i g. 1 ein Strom von der Elektrode 17 parallel zu den pn-Übergängen zwischen den Zonen 15
und 12 bzw. 11 und 12 zur Elektrode 16. Die Spannung
am pn-Übergang zwischen den Zonen 15 und 12 ist höher als an jedem Punkt des pn-Überganges zwischen
den Zonen 11 und 12, so daß der Hilfsthyristor auch bei dieser Ausführungsform zuerst zündet. Der Lastström
des Hilfsthyfistors bildet dann wieder den Zündstrom
für den Hauptthyristor. Zweckmäßigerweise wird die Dicke des Bereiches 23 um 5 bis 50% kleiner als die
Dicke der zweiten Basiszone 13 gewählt. Die Vertiefung in der zweiten Basiszone 13 wird zweckmäßigerweise so
hergestellt, daß zunächst eine ganze Halbleiterscheibe mit z. B. Siliciumdioxyd maskiert wird. Dann wird an
derjenigen Stelle, an der die Vertiefung 22 und 21 angebracht werden soll, auf der Oberfläche der
Halbleiterscheibe ein Fenster geätzt. Dann wird ein Ätzmittel verwendet, das zwar das Halbleitermaterial
ätzt, jedoch nicht die Schicht aus Siliciumdioxyd. Anschließend wird die Scheibe mit einem Ätzmittel
geätzt, das das Siliciumdioxyd ätzt, jedoch nicht das Halbleitermaterial. Nach der Reinigung der Oberfläche
der Halbleiterscheibe wird diese durch Diffusion dotiert. Dabei entsteht die Vertiefung 21 in der zweiten
Basiszone 13.
Im Diagramm nach Fig.4 ist der Verlauf der
maximalen Sperrspannung eines Thyristors in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der zweiten
Basiszone eines Thyristors gezeigt. Die Dicke dieser Mittelzone bildet dabei einen Parameter. Die maximale
Sperrspannung eines Thyristors wird durch die Durchbruchspannung Ubr und die Punch-through-Spannung
Up eines Thyristors bestimmt. Unter der Durchbruchspannung
versteht man diejenige Spannung, bei der im Thyristor ein Steilanstieg des Stroms durch Ladungsträgermultiplikation,
d. h. ein Lawinenstrom, auftritt. Unter Punch-through-Spannung versteht man diejenige
Spannung, bei der sich die Raumladungszone eines gesperrten pn-Überganges bis zum benachbarten
pn-Übergang erstreckt. Die Sperrfähigkeit dieses pn-Überganges geht dann verloren. Man ist bei
Thyristoren bestrebt, die durch die beiden Spannungen begrenzte maximale Sperrspannung auszunutzen. Der
spezifische Widerstand g der zweiten Basiszone Und das
ίο Quadrat der Dicke W dieser Zone werden daher im
allgemeinen so aufeinander abgestimmt, daß die Sperrspannung Usp im Scheitelpunkt der in Fig.4
gezeigten Kurven sitzt. Dies ist durch Punkte für jede Dicke angegeben. Wird der Quotient g/W2 im Hilfsthy-
ii ristor größer gewählt als im Hauptthyristor, so bedeutet
dies, daß die maximale durch Punch-through begrenzte Sperrspannung des Hilfsthyristors kleiner ist als die des
Hauptthyristors. Dazu kann wie beschrieben entweder der spezifische Widerstand der zweiten Basiszone
erhöht oder die Dicke dieser Zone erniedrigt werden. Es können auch beide Maßnahmen miteinander kombiniert
werden.
Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen Thyristoren mil »Amplifying gate«.
.25 Die Erfindung ist jedoch auch bei Thyristoren mit
Querfeldemitter und »regenerative gate« brauchbar. Dafür muß jedoch der Begriff »Haupt- und Hilfsthyristor«
dö.-iniert werden, da beide einen gemeinsamen Emitter haben, der zwischen Zündelektrode und
JO Emitterelektrode einen nicht von der Emitterelektrode
kontaktierten Bereich höheren Widerstandes aufweist. Der Hilfsthyristor soll hier so definiert sein, daß er
diesen nicht kontaktierten, höherohmigen Bereich umfaßt. Statt des einen Bereiches 10 bzw. 23 können
J' auch mehrere kleinere Bereiche vorgesehen sein, von
denen jedoch keiner die Emitterzone des Hauptthyristors überlappen darf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps,
von denen die erste Zone eine Hauptemitterzone, die zweite Zone eine erste Basiszone und die dritte
Zone eine zweite Basiszone bildet, mit einer Emitterelektrode auf der ersten Zone und einer
Zündelektrode auf der ersten Basis, mit einer zundverstärkenden Hilfsanordnung, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Basiszone (3, 13) mindestens einen Bereich (10, 23) aufweist, bei
dem der Quotient aus spezifischem Widerstand der zweiten Basiszone und dem Quadrat der Dicke der
zweiten Basiszone größer als im übrigen Teil der zweiten Basiszone ist und daß der Bereich (10, 23)
die Hauptemitterzone (1,11) nicht überlappt.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des
Bereichs {' 10) größer als und seine Dicke gleich wie
der übrige Teil der zweiten Basiszone ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bereiches (23) kleiner als
die Dicke des übrigen Teiles der zweiten Basiszone und der spezifische Widerstand gleich groß wie der
spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Basiszone ist.
4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der spezifische Widerstand des Bereiches größer und seine Dicke kleiner als die
Dicke bzw der spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Basiszone ist.
5. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der spezifische Widerstand des Bereiches 5 bis 40% höher lieg
6. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke des Bereiches 5 bis 50% kleiner ist.
7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bereiche vorgesehen sind, die
die Emitterzone (1,11) nicht überlappen.
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Legal Events
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OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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