DE2246979C3 - Thyristor - Google Patents

Description

55

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen, mit einer Basiszone, auf der eine Steuerelektrode angeordnet ist, mit einem Hauptemitter und einem zwischen Steuerelektrode und Hauptemitter liegenden Hilfsemitter, bei dem der zwischen Steuerelektrode und Hilfsemitter liegende pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt und die Steuerelektrode umgibt.

Solche Thyristoren sind zum Beispiel in der DT-OS 39 019 beschrieben worden. Der Hilfsemitter bildet mit den übrigen Zonen des Halbleiterkörpers einen Hüfsthyristor, während der Hauptemitter zum Hauptthyristor gehört. Der Hilfsemitter bewirkt eine Verstärkung des eingespeisten Zündstromes, so daß der Hauptemitter auch mit einem niedrigen eingespeisten Zündstrom schnell und sicher auf einer relativ großen Fläche gezündet wird. Ein großflächiges oder zumindest linienförmiges Zünden des Hauptthyristors ist wichtig, da beim Zünden kleiner, mehr oder weniger punktförmiger Bereiche der Thyristor an diesen Stellen wegen zu hoher spezifischer Belastung zerstört werden kann.

Dies wird jedoch nur dann erreicht, wenn der Hüfsthyristor vor dem Hauptthyristor zündet. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da die Zündverzugszeit des Hauptthyristors kleiner sein kann als die des Hilfsthyristors. Unter der Zündverzugszeit versteht man definitionsgemäß die Zeit vom Einspeisen eines Zündstromes bis zum Absinken der an der Hauptstrecke des Thyristors liegenden Spannung auf 90% ihres ursprünglichen Wertes. Zündet jedoch der Hauptthyristor vor dem Hüfsthyristor, so steht dem Hauptthyristor zum Zünden nicht ein nur durch den äußeren Lastkreis begrenzter Laststrom des Hilfsthynstors zur Verfügung, sondern neben dem eingespeisten Zündstrom nur ein vergleichsweise geringer Laststrom, der bereits vor dem Zünden durch die Hauptstrecke des Hilfsthyristors fließt. Der Hauptthyristor zündet daher nur in einem kleinflächigen Teil, der den ganzen Laststrom aufnehmen muß und daher durch Überhitzung zerstört wird. Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß die Zündverzugszeit des Hauptthyristors immer größer ist als die des Hilfsthyristors. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die Zündverzugszeit eines Thyristors mit steigender Zündstromdichte abnimmt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der zwischen Steuerelektrode und Hilfsemitter liegende pn-Übergang mindestens drei, aber höchstens neun Bereiche aufweist, deren Abstand von der Steuerelektrode geringer als der Abstand aller übrigen Bereiche des pn-Überganges von der Steuerelektrode ist, daß diese Bereiche klein gegen die Länge des pn-Überganges sind und daß diese Bereiche wenigstens angenähert gleichmäßig über den Oberflächenbereich des pn-Überganges verteilt sind.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auch bei ungenauer Justierung der Steuerelektrode relativ zum pn-Übergang mindestens ein definierter Bereich übrigbleibt, der gegenüber allen anderen Bereichen den geringsten Abstand zwischen Steuerelektrode und pn-Übergang aufweist. Damit bleibt immer mindestens ein definierter Bereich erhalten, der bei der Zündung bevorzugt ist und einen Steuerstrom hoher Dichte in Richtung des pn-Überganges fließen läßt. Damit wird auch bei ungenauer Justierung die Zündverzugszeit des Hilfsthyristors kleiner als die des Hauptthyristors gemacht.

In der US-PS 35 73 572 ist bereits ein Thyristor beschrieben worden, der einen einzigen bevorzugten Bereich zwischen Steuerelektrode und pn-Übergang des Hilfsthyristors hat. Bei diesem Thyristor sind jedoch Steuerelektrode, Hilfsemitter und Hauptemitter nebeneinander angeordnet, was insgesamt ungünstige Zündeigenschaften ergibt. Der pn-übergang des Hilfsemitters umgibt bei diesem Thyristor die Steuerelektrode nicht.

Der pn-Übergang kann kreisförmig ausgebildet sein.

und die Steuerelektrode kann die Form eines n-Ecks haben, wobei η zwischen 3 und ti liegt. Die Steuerelektrode kann auch kreisförmig ausgebildet sein, und der ρη-Übergang kann die Form eines n-Ecks haben, wobei η zwischen 3 und 6 liegt. Es ist auch möglich, sowohl der Steuerelektrode als auch dem ρη-Übergang die Form eines n-Ecks zu geben. Zweckmäßig ist es, die Ecken gleichmäßig über den Umfang des pn-Überganges beziehungsweise den Umfang der Steuerelektrode zu verteilen. Der pn-Übergang kann auch kreisförmig oder als η-Eck ausgebildet sein, und die Steuerelektrode kann η Vorsprünge haben, wobei η zwischen 3 und 6 liegt Umgekehrt kann auch die Steuerelektrode kreisförmig oder als n-Eck ausgebildet sein, und der ρη-Übergang kann π Vorsprünge haben, wobei π zwischen 3 und 6 liegt. Er können aber auch Steuerelektrode und der ρη-Übergang einander gegenüberliegende Vorsprünge haben.

Ausführungsbeispiele von Thyristoren nach dem Stand der Technik bzw. nach der Erfindung werden in Verbindung mit den F i g. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines bekannten Thyristors,

F i g. 2 die Aufsicht auf diesen Halbleiterkörper,

Fig.3 bis 8 die Aufsicht auf 6 verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei sind Teile mit gleicher Funktion wie in den F i g. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In F i g. 1 ist der Halbleiterkörper eines Thyristors mit innerer Zündverstärkung gezeigt. Er weist eine erste Emitterzone 1, eine erste Basiszone 2, eine zweite Basiszone 3 und eine zweite Emitterzone 4 auf. Auf der ersten Emitterzone 1 ist eine Emitterelektrode 5 und auf der zweiten Emitterzone 4 eine Emitterelektrode 6 angeordnet. Mit der ersten Basiszone 2 ist eine Steuerelektrode 9 verbunden. Zwischen der Steuerelektrode 9 und der ersten Emitterzone 1 liegt eine weitere Emitterzone 7, der Hilfsemitter. Der Hilfsemitter ist mit einer Hilfsemitterelektrode 8 versehen. Zwischen der Steuerelektrode 9 und der Hilfsemitterelektrode 8 tritt der zwischen dem Hilfsemitter 7 und der ersten Basiszone 2 liegende pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers. Dieser ρη-Übergang ist mit 10 bezeichnet. Die Emitterzone 1, die Hilfsemitterzone 7, die Emitterelektrode 5 und die Hilfsemitterelektrode 8 sind ringförmig ausgeführt. Die Steuerelektrode 9 hat Kreisform. Dies ist in der Aufsicht nach F i g. 2 veranschaulicht. Die Elektroden sind in dieser und den folgenden Figuren der besseren Übersicht halber schraffiert.

Ein in die Steuerelektrode 9 eingespeister Zündstrom nimmt seinen Weg zunächst in den Hilfsemitter 7 und löst dort eine Injektion von Ladungsträgern in die erste Basiszone 2 aus. Diese Injektion verursacht einen Strom von der Elektrode 6 zum Hilfsemitter 7. Dieser Strom fließt dann zur Hilfsemitterelektrode 8 und über das mit der ersten Basiszone 2 verbundene Stück dieser Elektrode zum Emitter 1. Dieser Strom wird um den in die Steuerelektrode 9 eingespeisten Strom verstärkt. Beim Thyristor nach F i g. 2 liegen alle Randbereiche der Steuerelektrode 9 gleich weit vom pn-Übergang 10 entfernt. Es gibt daher keine Bereiche am pn-Übergang, die gegenüber anderen Bereichen bevorzugt sind. Der Zündstrom wird daher nahezu gleichmäßig über die Fläche verteilt zum Hilfsemitter 7 fließen und einen über die Fläche des Hilfsthyristors nahezu gleichmäßig verteilten Strom von der Anode her zur Folge haben. Die Stromdichte im Hilfsthyristor ist daher klein und seine Zündverzugszeit groß. 1st die Zündverzugszeit des aus den Zonen 1, 2,3 und 4 gebildeten Hauptthyristors kleiner als die Zündverzugszeit des aus den Zonen 7,2,3 und 4 gebildeten Hilfsthyristors, so zündet der Hauptthyristor zuerst Bei geringen herstellungs- oder materialbedingten Unsymmeirien dts Hauptthyristors zündet dieser dann ungleichmäßig, zum Beispiel punktförmig, wie ein konventioneller Thyristor. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß die Zündverzugszeit des Hilfsthyristors kleiner ist als die des Hauptthyristors. Dazu muß die Zündstromdichte des Hilfsthyristors größer als die des Hauptthyristors gemacht werden. Dies läßt sich, wie nachstehend erläutert, durch eine geeignete Geometrie der Steuerelektrode 9 und/oder des pn-Überganges 10 erreichen.

In der Anordnung nach F i g. 3 ist die Steuerelektrode 9 viereckig geformt. Der pn-übergang 10 hat Kreisform. Es ist ersichtlich, daß die vier Ecken der Steuerelektrode 9 einen Abstand vom pn-Übergang 10 haben, der geringer ist als jeder andere Randbereich der Steuerelektrode 9. Der von der Elektrode 9 ausgehende Zündstrom konzentriert sich daher bevorzugt auf die den vier Ecken der Steuerelektrode 9 gegenüberliegenden Bereiche 12 des pn-Überganges 10. An diesen, durch dicke schwarze Punkte markierten bevorzugten Bereichen 12 ist die Stromdichte hoch, so daß die Zündverzugszeit des Hilfsthyristors gering ist. Der während der Zündverzugszeit des Hilfsthyristors über die Hauptstrecke des Hilfsthyristors in den Bereichen 12 fließende Strom fließt im wesentlichen gleichmäßig verteilt zum Emitter 1. Die Stromdichte ist daher relativ klein, und zwar so klein, daß trotz des zusätzlichen von der Steuerelektrode 9 eingespeisten Zündstromes der Hauptthyristor erst nach dem Hilfsthyrisxor zünden kann. Mit dem Zünden des Hilfsthyristors wird bei hohem Laststromansteigen der Zündstrom des Hauptthyristors drastisch erhöht. Nach dem Zünden des Hauptthyristors erlischt der Hilfsthyristor durch Stromübernahme auf den Hauptthyristor sehr schnell, so daß eine Beschädigung des Hilfsthyristors in den Bereichen

12 trotz punktförmiger Zündung vermieden wird.

In Fig.4 ist die Steuerelektrode 9 kreisförmig und der pn-Übergang 10 viereckig ausgebildet. Der pn-Übergang 10 weist wieder vier bevorzugte Bereiche

13 auf, die der Steuerelektrode 9 näherliegen als jeder andere Bereich auf dem pn-Übergang. Der Hilfsthyristor wird daher zunächst in diesen Bereichen zueist zünden. Die Zündstromdichte des Hauptthyristors bleibt auch in diesem Fall so klein, daß der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor zündet.

In Fig.5 ist die Steuerelektrode 9 und der pn-Übergang 10 viereckig ausgebildet. Die bevorzugten Bereiche sind mit 14 bezeichnet. In Fig.5 ist der pn-Übergang kreisförmig ausgebildet, während die Steuerelektrode 9 mit vier Vorsprüngen 15 versehen ist. Die bevorzugten Bereiche des pn-Überganges 10, in denen zuerst die Zündung des Hilfsthyristors einsetzt, sind mit 16 bezeichnet. In der Anordnung nach F i g. 7 ist der pn-Übergang 10 mit Vorsprüngen 17 versehen, während die Steuerelektrode 9 kreisförmig ausgebildet ist. Die bevorzugten Bereiche tragen hier die Bezugsziffer 17. Bei der Anordnung nach Fig.8 weist der pn-Übergang IQ Vorsprünge 19 und die Steuerelektrode 9 Vorsprünge 18 auf. Die Vorsprünge 18 und 19 liegen hier einander gegenüber.

Durch Ungenauigkeiten bei der Justierung der Steuerelektrode 9 kann es vorkommen, daß diese nicht genau mittig, sondern etwas exzentrisch zum pn-Über-

gang 10 zu liegen kommt. Hierbei rückt aber mindestens eine der Ecken beziehungsweise Vorsprünge zum pn-Übergang 10 hin, heziehungsweise die Elektrode nähert sich immer mindestens einer der Vorsprünge des pn-Überganges 10, das heißt, auch im Fall einer ungenauen Justierung der Steuerelektrode 9 bei der Herstellung des Thyristors bleibt mindestens einer der bevorzugten Bereiche erhalten. Damit ist sichergestellt, daß die Zündstromdichte des Hilfsthyristors auch in diesem Fall größer ist als die Zündstromdichte des Hauptthyristors.

In den F i g. 3 bis 8 wurden nur Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Elektrode Vierecke oder Vorsprünge und der pn-Übergang vier Vorsprünge hatte. Es genügt jedoch, wenn die Elektrode drei Ecken oder Vorsprünge beziehungsweise der pn-Übergang drei Vorsprünge aufweist. Die Steuerelektroden 9 und der pn-Übergang 10 können auch mehr Vorsprünge beziehungsweise Ecken als vier aufweisen, eine höhere Anzahl als sechs Ecken beziehungsweise Vorsprünge ist jedoch nicht sinnvoll, weil sich dann die Form der Steuerelektrode 9 beziehungsweise des pn-Überganges 10 wieder zu stark der Kreisform nähert, bei der unter Umständen kein Bereich des pn-Überganges 10 mehr vor einem anderen bevorzugt ist. Für den Fall, daß sowohl die Steuerelektrode als auch der pn-Übergang mit Ecken beziehungsweise Vorsprüngen versehen sind, empfiehlt es sich, die Gesamtzahl der Ecken beziehungsweise Vorsprünge nicht größer als 9 zu wählen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen, mit einer Basiszor.e, auf der eine Steuerelektrode angeordnet ist, mit einem Hauptemitter und einem zwischen Steuerelektrode und Hauptemitter liegenden Hilfsemitter, bei dem der zwischen Steuerelektrode und Hilfsemitter liegende pn-Übergang an die Oberfläche des ι ο Halbleiterkörpers tritt und die Steuerelektrode umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Steuerelektrode und Hilfsemitter liegende pn-übergang (10) mindestens drei, aber höchstens neun Bereiche (12,13,14,16,17,19) aufweist, deren Abstand von der Steuerelektrode geringer als der Abstand aller übrigen Bereiche des pn-Überganges (iO) von der Steuerelektrode ist, daß diese Bereiche klein gegen die Länge des pn-Überganges sind und daß diese Bereiche wenigstens angenähert gleichmäßig über den Oberflächenbereich des pn-Überganges verteilt sind.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang (10) kreisförmig ausgebildet ist und daß die Steuerelektrode (9) die Form eines n-Ecks hat, wobei π zwischen 3 und 6 liegt.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (9) kreisförmig ausgebildet ist und der pn-Übergang (10) die Form eines n-Ecks hat, wobei η zwischen 3 und 6 liegt.

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (9) und der pn-Übergang (10) jeweils die Form eines n-Ecks haben.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken gleichmäßig über den Oberflächenbereich des pn-Überganges (10) beziehungsweise den Umfang der Steuerelektrode (9) verteilt sind.

6. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang (10) kreisförmig oder als /i-Eck ausgebildet ist und daß die Steuerelektrode (9) η Vorsprünge hat, wobei π zwischen 3 und 6 liegt.

7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (9) kreisförmig oder als n-Eck ausgebildet ist und daß der pn-Übergang (10) π Vorsprünge hat, wobei π zwischen 3 und 6 liegt.

8. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (9) und der pn-Übergang (10) einander gegenüberliegende Vorsprünge aufweisen.