DE2329872A1

DE2329872A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE2329872A1
Application number: DE2329872A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-12
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1975-01-09
Also published as: JPS5036084A; ATA368374A; AT330297B; FR2233716B1; DE2329872C3; NL7404409A; SE406841B; FR2233716A1; JPS587068B2; DE2329872B2; SE7407777L; CH572279A5; GB1477513A; BE816223A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCIIVJT 3000 München 2, 12 J(JN 1973 Berlin und München Wittelsbacherplatz

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Thyristor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste eine Emitterzone bildet und mit einer Emitterelektrode versehen ist und die zweite Zone eine Basiszone bildet und mit einer weiteren Elektrode versehen ist, mit mindestens einem pn-übergang zwischen Emitterzonen und Basiszone und mit mindestens einem den pn-übergang überbrückenden Kurzschluß.

Ein solcher Thyristor ist bekannt. Der Kurzschluß zwischen Emitterzone und Basiszone verhindert ein unbeabsichtigtes Zünden des Thyristors ohne eingespeisten Steuerstrom, insbesondere bei über Zimmertemperatur liegenden Temperaturen. Der Kurzschluß wird bei einem bekannten Thyristor dadurch gebildet, daß die Emitterelektrode am Außenrand über die Emitterzone hinübergreift und dort mit der Basiszone elektrisch verbunden ist. Bei anderen Thyristoren sind auch mehrere Kurzschlüsse in Form von in der Emitterzone angeordneten Löchern vorgesehen, durch die die Basiszone hindurchgreift und dort elektrisch mit der Emitterelektrode verbunden ist.

Ein RandkurzSchluß ist bei großflächigen Thyristoren im Gegensatz zu den erwähnten Löchern jedoch wenig wirksam. Die in der Emitterzone liegenden Löcher behindern jedoch andererseits die Ausbreitung des Zündvorgangs. Eine ungehinderte Ausbreitung des Zündvorgangs ist aber insbesondere bei den sogenannten schnellen Thyristoren, d.h. Thyristoren mit hohem di/dt-Wert, wichtig.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzu-

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Hab/Ktz 409882/0500 " ² ~

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bilden, daß die Ausbreitung des Zündvorgangs möglichst wenig behindert wird, daß aber gleichzeitig eine gute Kurzschlußwirkung erzielt wird.

Danach ist die Erfindung gekennzeichnet durch mindestens einen in der Basiszone oder in der Emitterzone liegenden, nicht durch einen pn-übergang unterbrochenen, an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegenden, die Emitterelektrode und die weitere Elektrode direkt verbindenden Strompfad.

Durch diese Maßnahme kommt man mit weniger Löchern in der Emitterzone aus. Die Ausbreitung des Zündvorganges wird daher weniger behindert.

Die Emitterzone kann dazu an der Oberfläche zweckmäßigerweise eine unter die weitere Elektrode greifende Nase oder eine unter die Emitterelektrode greifende Ausnehmung aufweisen. Die weitere Elektrode kann auch eine Ausnehmung aufweisen, in die die Nase des Emitters hineinragt und unter die weitere Elektrode greift. Die weitere Elektrode kann die Zündelektrode des Thyristors oder bei einem Thyristor mit integriertem Hilfsthyristor und einer mit der Basiszone verbundenen Hilfsemitterelektrode auch die Hilfsemitterelektrode sein. Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform wird dadurch erhalten, daß die Hauptemitterelektrode und der Hauptemitter einerseits und die Hilfsemitterelektrode andererseits aus mehreren parallelen, leitend miteinander verbundenen Streifen bestehen, wobei die Streifen der Hauptemitterelektrode und des Hauptemitters zwischen denen der Hilfsemitterelektrode liegen und mindestens ein Streifen des Hauptemitters an seinem freien Ende unter die Hilfsemitterelektrode greift.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 - ? näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors,

bis 5 die ausschnittsweise Aufsicht auf mehrere Ausführungsbeispiele eines Thyristors ohne zündverstärkende Struktur,

Fig. 6 die teilweise Aufsicht auf das Halbleiterbauelement eines Thyristors mit zündverstärkender Struktur und

Pig. 7 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors mit zündverstärkender Struktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Das Halbleiterelement gemäß Fig. 1 weist eine Emitterzone 1, eine Basiszone 2 sowie weitere Zonen 3 und 4 auf. Die Zone 4 ist mit einer Elektrode 5> die Emitterzone 1 mit einer Emitterelektrode 6 versehen. Mit der Basiszone 2 ist eine weitere Elektrode 7» die Zündelektrode, verbunden. Die Emitterzone 1 weist Löcher 9 auf, durch die die Basiszone 2 mit der Emitterelektrode 6 verbunden ist. Die Löcher 9 dienen in bekannter Weise zur Erhöhung des du/dt-Wertes des Thyristors. Zwischen der Emitterzone 1 und der Basiszone 2 liegt ein pn-übergang, der mit 10 bezeichnet ist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung werde angenommen, daß die Emitterelektrode 6 und die weitere Elektrode über einen Widerstand 8 verbunden ist. Dieser Widerstand stellt damit eine Verbindung zwischen der Emitterelektrode 1 und der Basiszone 2 dar, d.h. er hat die gleiche Wirkung bezüglich des du/dt-Verhaltens wie die in der Emitterzone 1 vorgesehenen Löcher 9· Die Anzahl der Löcher 9 kann mit dieser Maßnahme vermindert werden.

Die Wirkung des Widerstandes 8 kann, wie in Fig. 2 erläutert, durch eine unter die Emitterelektrode 6 greifende Ausnehmung

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der Emitterzone 1 erreicht werden. Damit wird ein direkter, den pn-übergang 10 an einer Stelle überbrückender Strompfad von der Emitterelektrode 6 zur weiteren Elektrode 7» der Zündelektrode, geschaffen. Damit kann ein Teil der aus dem Inneren des Halbleiterelements kommenden Ladungsträger über die Basiszone 2, die weitere Elektrode 7» die Ausnehmung 11, und die Emitterelektrode 6 abfließen, ohne eine Injektion von Ladungsträgern aus der Emitterzone 1 in die Basiszone zu verursachen. Eine Zündung des Thyristors wird damit bis zu einem gewissen du/dt-Wert verhindert.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Strompfad zwischen der Emitterelektrode 6 und der weiteren Elektrode 7 durch eine unter die weitere Elektrode 7 greifende Nase 12 der Emitterzone 1 erreicht. Unter der Annahme, daß die Emitterzone 1 wesentlich höher dotiert ist als die Basiszone 2 - dies ist bei Thyristoren immer der Pail - kann die Nase 12 wesentlich schmaler gemacht v/erden als die Ausnehmung 11 nach Fig. 2. Der Zündvorgang breitet sich beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 3 ungestörter als beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. aus, da die Lücke im pn-übergang relativ klein und nicht kurzgeschlossen ist.

Der Widerstand des Strompfades wird durch die Länge und die Breite der Nase bzw. der Aussparung und die Dotierung derjenigen Zone bestimmt, die unter eine der beiden Elektroden greift. Da die Dotierung bei einem Thyristor im wesentlichen feststeht, wird der Widerstand lediglich durch Länge und Breite oder durch Abätzen auch durch die Dicke des Strompfades eingestellt. Wird ein relativ hoher Widerstand benötigt, so würde es an sich ausreichen, die Aussparung bzw. die Nase schmal zu machen. Dadurch kann aber unter Umständen der Strompfad bei langer fließenden Strömen überlastet werden. Eine Verlängerung bei gleichzeitiger Verbreiterung des Strompfades ist auch möglich, bedingt jedoch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Emitterelektrode und Zündelektrode.

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In den Figuren 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, die einen relativ langen und großflächigen Strompfad bei gleichzeitig geringem Abstand zwischen der Emitterelektrode 6 und der Zündelektrode 7 aufweist. In Pig. 4 ist die Emitterelektrode 6 mit einer Aussparung 13 versehen, in die die Emitterzone 1 hineinragt. Diese liegt teilweise in der Aussparung 13» weist jedoch andererseits selbst eine Nase auf, die unter der v/eiteren Elektrode 7 liegt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weist sowohl die Emitterzone 1 als auch die weitere Elektrode 7 eine Aussparung 14 auf.

Das Halbleiterelement nach Fig. 6 ist mit einer sogenannten zündverstärkenden Struktur versehen. Diese besteht aus einer Hilfsemitterzone 15» die mit einer Hilfsemitterelektrode 16 versehen ist. Die Hilfsemitterelektrode 16 ragt über den Rand der Hilfsemitterzone 15 hinaus und ist dort elektrisch mit der Basiszone 2 verbunden. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement eine Hauptemitterzone 17 auf, auf der eine Hauptemitterelektrode 18 angeordnet ist. Die prinzipielle Wirkungsweise der genannten zündverstärkenden Struktur besteht darin, daß der zur Hauptemitterzone gehörende Hauptthyristor mit dem Laststrom des zur Hilfsemitterzone gehörenden Hilfsthyristors gezündet wird. Der pn-übergang zwischen der Basis und dem Hauptemitter 17 ist mit 19 bezeichnet.

Die zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften durch die eingangs erwähnte Verbindung der Emitterzone mit der Basiszone gilt entsprechend auch für die Hauptemitterzone 17 und die Basiszone 2. Der Strompfad liegt hier zwischen der Hauptemitterelektrode 18 und der Hilfsemitterelektrode 16, da diese ihrerseits elektrisch mit der Basiszone 2 verbunden ist. Der Strompfad wird hier gebildet durch eine die Hauptemitterzone 17 und die Hilfsemitterzone 15 verbindende Ausnehmung 20. Die Ausnehmung 20 reicht bis unter die Hilfsemitterelektrode 16. Damit wird eine leitende Verbindung zwischen Hauptemitterelektrode 18 und Basiszone 2 erzielt.

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In Fig. 7 ist ebenfalls ein Halbleiterelement für einen Thyristor mit zündverstärkender Struktur gezeigt. In der Funktion mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 übereinstimmende Teile sind hier mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Elektroden sind der besseren Übersichtlichkeit schraffiert gezeichnet. Der wesentliche Unterschied im Aufbau besteht darin, daß hier die Hauptemitterzone 17 und die Hauptemitterelektrode 18 streifenförmig ausgebildet sind. Die Hilfsemitterelektrode 16 v/eist ebenfalls streifenförmige Teile und einen konzentrisch- zur v/eiteren Elektrode 7 liegenden Teil auf. Die streifenförmigen Teile von Hilfsemitterelektrode 16, Hauptemitterzone 17 und Hauptemitterelektrode greifen ineinander. Die beiden Emitterzonen 15 und 17 sind hier im Gegensatz zur Fig. 6 nicht miteinander verbunden.

Die elektrische Verbindung zwischen der Hauptemitterzone und der Basiszone 2 erfolgt über die Hilfsemitterelektrode Ein Ende 20 eines Streifens der Hauptemitterzone 17 greift dabei unter die Hilfsemitterelektrode 16. Damit wird eine elektrisch leitende Brücke 22 zwischen der Basiszone 2 und der Hauptemitterzone 17 geschaffen. Bei einer solchen Anordnung mit streifenförmigen Zonen und Elektroden kann man unter Umständen ganz auf Kurzschlußlöcher verzichten. Bei allen Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, mehrere Brücken vorzusehen. Dies empfiehlt sich z.B., wenn die Zone 20 nicht beliebig verbreitert werden kann.

7 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

Patentansprüche

^ Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste eine Emitterzone bildet und mit einer Emitterelektrode versehen ist und die zweite Zone eine Basiszone bildet und mit einer weiteren Elektrode versehen ist, mit mindestens einem pnübergang zwischen Emitterzone und Basiszone und mit mindestens einem den pn-übergang überbrückenden Kurzschluß, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Basiszone (2) oder in der Emitterzone (1) liegenden, nicht durch einen pn-übergang unterbrochenen, an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegenden, die Emitterelektrode (6) und die v/eitere Elektrode (7) direkt verbindenden Strompfad.
2. Thyristor nach Anspruch 1, gekennzeichnet - durch mindestens eine unter die weitere Elektrode (7) greifende Nase (12) der Emitterzone (1).
3· Thyristor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine unter die Emitterelektrode (6) greifende Ausnehmung (11) der Emitterzone (1).
4. Thyristor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in der weiteren Elektrode (7) vorgesehene Aussparung (14), in die die Nase (12) der Emitterzone (1) hineinragt und unter die v/eitere Elektrode (7) greift.
5· Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (7) die Zündelektrode ist.
6. Thyristor nach Anspruch 1 mit einem integrierten Hilfsthyristor, mit einem Hilfsemitter und einer mit der Basiszone verbundenen Hilfsemitterelektrode, mit einem Haupt-

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emitter und einer Hauptemitterelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode durch die Hilfsemitterelektrode (16) und die Emitterelektrode durch die Hauptemitterelektrode (18) gebildet ist.

7· Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptemitterelektrode (18) und die Hauptemitterzone (17) einerseits und die Hilfsemitterelektrode (16) andererseits aus mehreren parallelen, leitend miteinander verbundenen Streifen bestehen, daß die Streifen der Hauptemitterelektrode (18) und der Hauptemitterzone (17) zwischen denen der Hilfsemitterelektrode liegen und daß mindestens ein Streifen der Hauptemitterzone an seinem freien Ende unter die Hilfsemitterelektrode (16) greift.

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