DE2358937A1

DE2358937A1 - Thyristor fuer hochspannung im kilovoltbereich

Info

Publication number: DE2358937A1
Application number: DE2358937A
Authority: DE
Inventors: Alois Dipl Phys Sonntag
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-11-27
Filing date: 1973-11-27
Publication date: 1975-06-05
Also published as: US3925807A; JPS5086283A; SE7413915L; JPS5444557B2; SE392992B; DE2358937C3; DE2358937B2

Description

Licentia Patent Verwaltungs-G.m.b.H.

6 Frankfurt/ttain 70, Theodor-Stern-Kai 1

Belegexempfar Darf nidn geändert mder

Unger/cr FBE 73/46

20,11.1973

"Thyristor für Hochspannung im Kilovoltbereich"

Die Erfindung betrifft einen Thyristor für Hochspannung im Kilovoltbereich mit einem volldiffundierten, an den zwei Hauptflächen mit Elektroden versehenen scheibenförmigen Halbleiterelement, bei dem die Hauptflächen unterschiedlich groß sind und die Eandflache konusförmig abgeschrägt ist.

Die konüsförmige Abschrägung der Randfläche von scheibenförmigen Halbleiterelementen i?t z. B. durch die DT-AS ΐ 250 008, Fig. 1 bis 3 und durch die DT-AS 1 212 215 bekannt. Sie wird allgemein bei Thyristoren hoher Sperrfähigkeit verwendet, um an der abgeschrägten Randfläche die Raumladungszone des mittleren pn-Überganges, welcher in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrt, zu verlängern und die Randflächenfeidstarke herabzusetzen. Eine Sperrfähigkeit von etwa 2 kV erfordert indes, daß besonders . an diesem mittleren pn-übergang die Randfläche'unter

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einem kleinen Winkel von etwa 2° abgeschrägt werden muß. Dies führt dazu, daß eine Halbleiterscheibe mit einem entsprechend breiten Rand außerhalb der stromtragenden kontaktierten kleineren Hauptfläche verwendet werden muß und zwar eine.Halbleiterscheibe mit großem Durchmesser, die eine gewünschte Einkristallqualität aufweist und entsprechend hoch strombelastbar ist. Durch die DT-AS 1 250 008,'Fig. 5 bis 7, ist ferner auch ein. scheibenförmiges Halbleiterelement mit einem symmetrischen Kantenschliff in einer nicht abgeschrägten Randfläche des Elementes bekannt. Die Verwendung eines solchen Elementes für einen hochsperrenden Thyristor engt die vorhin erläuterte Flächenausnutzung zwar nicht ein, es kann aber bei einem solchen Element eine mit einem mit abgeschrägter Randfläche versehenen Scheibenelement vergleichbare Herabsetzung der Randflächenfeldstärke nur mit einer nahezu zweimal so dicken Anodenbasiszone erzielt werden. Unabhängig von der Profilgebung der Randfläche wird bei Thyristoren im wesentlichen die Dicke der Anodenbasiszone von der verlangten Sperrfäligkeit bestimmt. Größere Dicke einer Halbleiterschicht, insbesondere aus Silizium, bedingt aber größere Durchlaßspannung und höhere Durchlaßverluste. Problematisch bei Elementen mit symmetrischem Kantenschliff ist außerdem, daß die scharfen Schliffkanten an den dünnen, ganz oder nur zum Teil an den Hauptflächen liegenden Zonen leicht ausbrechen können.

Ein Thyristor hoher Sperrfähigkeit setzt bekanntlich ferner eine geringe Vordotierung der verwendeten Halbleiterelemerbscheibe voraus. Ein Thyristor großer Strombelastbarkeit bedingt andererseits, wie oben erwähnt, entsprechend große stromtragende Hauptflächen und somit großen Durchmesser der verwendeten Halbleiterscheibe. Da aber die Herstellung

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von Halbleiterelementscheiben großen Durchmessers mit homogener Dotierung schwieriger sind, je geringer diese. homogene Dotierung sein soll, so stellen sich die Anforderungen an die Sperrfähigkeit und die Strombelastbarkeit eines Thyristors im Grunde einander entgegen. Es hängt "besonders von der Entwicklung der Kristall-Ziehtechnik ab, ob die Schwierigkeit der Herstellung von Einkristallen großen Durchmessers und homogener Schwachdotierung verringert werden kann.

Die vorangehend skizzierte Problematik wird durch die Anforderung noch verschärft, die seitens der Anwender an die Freiwerdezeit hochsperrender und leistungsstarker Thyristoren gestellt ist. Das bedeutet eine weitere Einschränkung für die Entwicklung eines hochsperrenden Thyristors mit einer nach oben begrenzten Freiwerdezeit, denn hierdurch wird eine obere Begrenzung der Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone des Halbleiterele⁴-mentes bedingt. Demgegenüber wird eine Begrenzung der. Ladungsträgerlebensdaüer nach unten, um eine niedrige Durchlaßspannung zu erzielen, von der Höhe der verlangten Sperrfähigkeit her bedingt; ein entsprechender unterer Grenzwert der Lebensdauer nimmt jedoch mit der ■Dicke der Basiszone zu. Diese Begrenzung wird um so weniger kritisch, je mehr stromtragende Hauptfläche durch Verbesserung des Eandprofiles zur Herabsetzung der Randflächenfeldstärke erhalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor für Hochspannung mit einer Sperrfähigkeit weitaus höher als 2,5 kV, welcher mit einigen Hundert Ampere Dauergrenzstrom belastbar ist, mit einer Freiwerdezeit_v die nicht größer als bei den bekannten Thyristoren ist,

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durch eine optimale Formgebung und Bemessung des HaIbleiterelementes und der Zonenstruktur des Elementes zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, bei einem Thyristor der eingangs beschriebenen Gattung in der konusförmigen Handfläche eine umlaufende in einer Ebene parallel zu den pn-Übergangsflächen liegende Xante derart einzuschleifen, daß diese Kante durch zwei unter einem Winkel aufeinander stoßende Schilfflächen, eine den in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrenden pn-übergang schneidende und an die kleinere Hauptfläche stoßende Schliffläche und eine die konusförmige Randfläche jedoch keine pn-Ubergangsflache schneidende Schliffläche gebildet wird und daß die Schliffläche, welche an die kleinere Hauptfläche stößt, den in der Durchlaßrichtung sperrenden pn-übergang untereinem größeren Winkel als der Winkel zwischen der Ebene der Kante und der anderen Schliffläche schneidet, und daß der Abstand des in der Durchlaßrichtung des" Thyristors sperrenden pn-Überganges von der Ebene, in welcher die Kante liegt, größer ist als der Abstand des rückwärts sperrenden pn-Überganges von derselben· Ebene, wobei der Abstand zwischen diesen kreisförmigen pn-Übergangsflächen kleiner ist als ihre Radiusdifferenz .

Im Rahmen dieser Bemessungsanweisungen ist die Erfindung noch durch Ausführungsformen von Halbleiterelementen mit Abschrägwinkeln zwischen der abgeschrägten Randfläche mit der größeren Hauptfläche, die in dem Bereich von 10 bis 40° liegen, ausgestaltet.

Um insbesondere die Peripheriekanten der Hauptflächen eines erfindungsgemäß ausgeführten Halbleiterelementes

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bei übermäßiger mechanischer Beanspruchung vor dem Aus-Jbrechen zu sichern; sind diese Kanten sowie auch die in die Randfläche eingeschliffene Kante gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung abgerundet.

Die Vorteile der Erfindung v/erden auf Grund der bei erfindungsgemäß ausgeführten Thyristoren erzielten elektrischen Eigenschaften besonders in der Verwendung dieser Thyristoren bei Stromrichtern für die Hochspannungsgleichstrom-Übertragung (HGU) gesehen. Bei diesen Stromrichtern wurden bisher und werden noch Thyristoren mit einer Sperrfähigkeit bis zu etwa 2,5 kV eingesetzt. Es müssen hierbei viele Thyristoren,·die z. B. paarweise miteinander in Parallelschaltung aufgebaut werden, in Reihe geschaltet werden. Können aber Thyristoren mit einet weitaus höheren Sperrfähigkeit als 2,5 kV eingesetzt werden, so verringert sich dementsprechend die Anzahl der für gleiche Spannung in Reihe zu schaltenden Thyristoren und der zugehörigen Steuerungs- und Beschaltungsmittel. Bei einer geringeren Anzahl von in Reihe geschalteter Thyristoren werden Durchlaßspannung und damit auch die Durchlaßverluste der einzelnen Stromrichterzweige entsprechend geringer. Der Einsatz von solcherart hochsperrender Thyristoren kann sonach eine beträchtliche Verminderung der Investitionskosten bei elektrotechnischen Anlagen und bei den dafür erforderlichen Kühleinrichtungen mit sich bringen. Da die erfindungsgemäß ausgeführten Thyristoren ferner eine große Strombelastbarkeit aufweisen, ergibt sich von dieser Seite her der Vorteil, daß auch die Anzahl der bei einem Stromrichter für eine vorgegebene Betriebsstromstärke unter sich parallel zu schaltender Thyristoren geringer oder nicht größer als bisher ist.

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Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei sogenannten Frequenzthyristoren anwendbar, bei welchen die Kathode durch eine radial verzweigte fingerförmige Steuerelektrode in viele Abschnitte unterteilt ist.

Es wird nachstehend als Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung eine Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung'ist ein Querschnitt längs eines Durchmessers eines volldiffundierten scheibenförmigen Halbleiterelements im Randgebiet desselben dargestellt.

Das Halbleiterelement 10 ist an seinen zwei unterschiedlich großen Hauptflächen 11 und 12 mit Elektroden K, G und A versehen. An der größeren Hauptfläche 12 befindet sich die Anode A, welche sich über die ganze Hauptfläche erstreckt. An der kleineren Hauptfläche 11 befindet sich die Kathode K, welche sich nahezu über der ganzen Hauptfläche erstreckt, und eine nicht dargestellte Steuerelektrode.

Der Zeichnung ist zu entnehmen, daß die ursprünglich zylinderförmige Halbleiterscheibe an ihrer Randfläche 13 konusförmig abgeschrägt ist unter einem Abschrägwinkel t, den die abgeschrägte Randfläche mit der größeren Hauptfläche 12 der Halbleiterelementscheibe bildet. Es sei hier angemerkt, daß in der Zeichnung das Halbleiterelement 10 nicht maßstabsgerecht dargestellt ist; die vertikale Dimension des Elementes erscheint ungefähr

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zweifach gedehnt gegenüber der horizontalen Dimension. Inder abgeschrägten Handfläche 13 ist, wie ersichtlich, in einem kleineren Abstand von der Anode A als von der Kathode K eine umlaufende und durch zwei unter einem Winkel K kegelförmig aufeinander stoßende Schlifflachen 14 und 15 gebildete Kante k eingeschliffen. Diese Kante liegt in einer in Bezug auf die pn-Übergangsflachen 16, 17, 18 und die Hauptflächen 11 und 12 parallelen Ebene E. Die Schliffläche 14-, welche auf die kleinere Hauptfläche

11 stößt, schneidet die pn-Übergangsflache 17, welche in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrt, untereinem Winkel P , der größer als der Winkel «C zwischen der Ebe- ne E und der anderen Schlifflache 15 ist. Ferner ist der Abstand b zwischen der Ebene E und der pn-Übergangsflache 17 größer als der Abstand a zwischen der Ebene E und der pn-Übergangsflache 18. Es ist die stromtragende Fläche des Thyristors im wesentlichen durch die Größe der kleineren Hauptfläche 11 des scheibenförmigen Halbleiterelementes 10 bestimmt, die in Richtung der größeren Hauptfläche

12 von einer xim so breiteren Randzone umgeben sein muß, je höher bei einer gewünschten Strombelastbarkeit die Sperrfähigkeit sein soll. Die Radiusdifferenzdrder zwei kreisförmigen pn-Übergangsflachen 17 und 18 ist daher größer bemessen als der Abstand a+b zwischen den zwei pn-Übergangsf lachen. 1? und 18. · -

Ein scheibenförmiges Halbleiterelement mit einem Kantenschliff in seiner abgeschrägten Randfläche, das wie vorangehend erläutert bemessen ist, kann eine Sperrfähigkeit von 5 kV und eine Strombelastbarkeit von z. B-. 400 A Dauergrenzstrom aufweisen. Diese Leistungsfähigkeit wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß bei angelegter Hochspannung die Randflächenfeldstärke an der Schnittlinie der pn-Übergangsfläche 17 infolge der Randflächenkontur erheblich vermindert ist.

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Während bei einem Kantenschliff nach den Fig. 5 bis 7 der DT-AS ^50 008 mit einer Basisweite der niedrig dotierten η-Zone des Thyristors gearbeitet werden muß, die nahezu mit dem zweifachen Wert der theoretisch benötigten Basisweite für ein gewünschtes Sperrvermögen entspricht, um die Randflächenfeldstärke niedrig halten zu können, so ist dies bei einem Thyristor gemäß der Erfindung nicht nötig.

um die Wirkung des Kantenschliffs gemäß der Erfindung zu erläutern, sei hier zunächst der Pail betrachtet, daß der pn-übergang 17 in Sperrichtung gepolt ist. Es bewirkt die in diesem Falle positiv definierte Abschrägung der Schlifflache 14, daß sich die Raumladung in der. η-Basiszone längs der Schliffläche 14· zunächst schneller mit einer Krümmung nach unten ausdehnt als im Volumen dieser η-Basiszone. Demzufolge ist auch die Randflächenfeldstärke kleiner als die Volumenfeldstärke. Dies gilt solange , als die-Grenze der Raumladung den Rand der Ebene E, d. h.. die Schliff kante k, nicht erreicht hat. liegt diese Ebene E im unteren Teil der η-Basiszone, so fällt schon der größte Teil der Spannung längs der Schliffläche 14 ab, bevor die Raumladungsgrenze um die Kante k umbiegt und sich im Bereich der negativen Abschrägung der Schliffläche 15 ausdehnt. Wählt man den Winkel^ und den Abstand der Ebene E vom pn-übergang 17 richtig, so kann man die Raumladung also zwingen, eine solche Form anzunehmen, daß an keiner Stelle der Randfläche die Feldstärke den Durchschlagswert erreicht.

Ist nun der pn-übergang 18 in Sperrichtung gepolt, so ist die Absehrägung der Schliffläche 15 als positiv anzusehen. Da der Abstand der Ebene, in welcher die Schliff fläche 15 auf die konusförmige Abschrägung 13 stößt, vom

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pn-übergang 18 nur gering ist, so überwindet die Raumladungsgrenze auch selir scnnell die lange flache Schlifff lache 15 und erreicht somit schon /bei niedriger Sperrspannung den Rand der Ebene E. Bei Spannungserhöhung wird sich dann die Raumladung längs der nun negativ definierten Abschrägung der Schliffläche 14 weiter ausdehen und sich dabei in Richtung des pn-Überganges 18 krümmen. Von der Anodenseite des Thyristors her gesehen, wirkt indes das Randprofil des Halbleiterelementes, bei dem es an viel der p-

Anodenzone vorgelagertem η-Silizium.fehlt, wie eine positive konusförmige Randabschrägung. Da die Grenze der Raumladungszone in.der p⁺-Anodenzone an die kohusförmig abgeschrägte Randfläche 13 stößt, wird sie sich in der n-Basiszone auf der negativ abgeschrägten Schlifflache 14- ober- , halb der Ebene E weiter in der Richtung des pn-Überganges 17 ausbreiten, damit eine entsprechende Gegenladung in Bezug auf die p⁺ -Anodenzone umfaßt wird«, Diese Ausbreitung geht um so schneller vor sich, je größer die Radius-Differenz4tder pn-übergangsflachen 17 und 18 ist.

Durch geeignete Wahl der Größe dieser Differenz kann somit erreicht werden, daß auch bei rückwärts am Thyristor anliegender Spannung der Randflächenfeldstärke nirgends zum Durchschlag führt. .

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Claims

- 10 - FBE 73/46 Patentansprüche

1. Thyristor für Hochspannung im KV-Bereich mit einem volldiffundierten, an den zwei Hauptflächen mit Elektroden versehenen scheibenförmigen Halbleiterelement, bei dem die Hauptflächen unterschiedlich groß sind und die Randfläche konusförmig abgeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der konusförmigen Randfläche (13) eine umlaufende in einer Ebene- (E) parallel zu den pn-Übergangsflachen (16, 17, 18) liegende Kante (k) derart eingeschliffen ist, daß diese Kante durch zwei unter einem Winkel (ic) aufeinander stoßende Schilf flächen (14-, 15), eine den in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrenden pn-Übergang (17) schneidende, an die kleinere Hauptfläche (11) stoßende Schuf fläche (14-) und eine die konusförmige Randfläche jedoch keine pn-Übergangsfläche schneidende Schilffläche (15) gebildet wird und daß die Schliffläche (14), welche an die kleinere Hauptfläche (11) des Thyristors stößt, den in der Durchlaßrichtung sperrenden pn-übergang (17) unter einem größeren Winkel (/J) als der Winkel. (öf) zwischen der Ebene (E) und der anderen Schlifflache (15) schneidet, und daß der Abstand (b) der pn-Übergangsfläche (17) von der Ebene (E) größer als der Abstand (a) der pn-Übergangsfläche (18) von derselben Ebene ist, wobei der Abstand (a+b) zwischen diesen kreisförmigen pn-Übergangsflachen kleiner als ihre Radiusdifferenz (4r) ist.

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2. Thyristor nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Randfläche (13) mit der größeren Hauptflache (12)-einen Abschrägwinkel (r) zwischen 10^c und 40° "bildet.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Handfläche (13) eingeschliffene Kante (k) und die Peripheriekanten (kV) der Hauptflächen
(11 und 12)abgerundet sind.

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