DE2408079A1 - Thyristor - Google Patents

Thyristor

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DE2408079A1 DE19742408079 DE2408079A DE2408079A1 DE 2408079 A1 DE2408079 A1 DE 2408079A1 DE 19742408079 DE19742408079 DE 19742408079 DE 2408079 A DE2408079 A DE 2408079A DE 2408079 A1 DE2408079 A1 DE 2408079A1
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Description

LÜ/SL
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Thyristor
Die Erfindung betrifft einen Thyristor, der durch die Beaufschlagung mit einem Lichtbündel schaltbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thyristors»
Zur Zündung von Hochleistungsthyristoren ist ein beträchtlicher äusserer Schaltungsaufwand erforderlich, insbesondere bei Serienschaltung von mehreren Thyristoren, wie beispielsweise in grösseren Stromricht«ranlagen, etwa HGUe-Ventilen. Zur Reduzierung eines solchen Schaltungsaufwandes ist es bekannt, die Thyristorstruktur potentialfrei zu zünden, z.B. durch Beaufschlagung mit einem Lichtbündel (vgl. z.B. US-PS 3!697'833). Die bekannten Strukturen haben jedoch den Nachteil, dass die zur Verfügung
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stehende Lichtenergie nicht optimal ausgenutzt wird. Bei Silizium wirkt sich zudem die hohe Absorption für Lichtwellenlängen unter 0,51 /xm sehr nachteilig aus. Andererseits muss die Lichtenergie mindestens 1,11 eV (^= 1,1 /im) betragen, damit Elektron-Loch-Paare erzeugt werden.
Die Absorptionskonstante von Silizium beträgt jedoch ab 2,43 eV
4-1 (A = 0,51/im) mehr als 10 cm , so dass das Licht nur noch 1 um tief in die Halbleiterstruktur eindringt. Um diesen Wert zu verbestern, könnte man zwerlnfrarotlichtquellen hoher Energiedichte, z.B. Nd: YAG-Laser mit X= 1,06/um oder GaAs-Laser mit A-=Oj89/im verwenden. Die Verwendung solcher Laser stellt jedoch einen beträchtlichen Aufwand dar. Eine weitere Möglichkeit der Lichtzündung, die indirekte Lichtzündung, bei der ein lichtempfindliches, stromverstärkendes Element beleuchtet wird, erfordert nach bisherigen Vorstellungen einen hohen Schaltungsaufwand, da einerseits der Zündstrom aus dem Hauptkreis gewonnen werden muss, andererseits aber die Spannung am lichtempfinlichen Element konstant bleiben muss, selbst wenn die Vorwärtsspannung über drei Orössenordnungen variiert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thyristor anzugeben, welcher die beschriebenen Nachteile vermeidet und sich insbesondere durch weniger aufwendige Lichtquellen zünden lässt, ohne dass der äussere Schaltungsaufwand unerwünscht hoch ist. Der Thyristor soll auch die Integration eines stromverstärkenden Elementes ohne weiteres ermöglichen. Ferner soll sich ein solcher Thyristor einfach herstellen lassen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss der Thyristor auf mindestens einer Stirnfläche ein Gebiet aufweist, in welchem die bei der Polung in Schaltrichtung vor dem Schalten entstehende Sperrschicht bzw. Raumladungszone an die Oberfläche treten kann, und dieses Gebiet mit dem das Schalten bewirkenden Lichtbündel beaufschlagbar ist.
Der Vorteil dieser Massnähme besteht unter anderem darin, dass gewöhnliches Licht mit sehr geringer Eindringtiefe, beispielsweise sichtbare» Licht von Blitzlampen, zur Zündung des Thyristors verwendet werden kann. Das Licht lässt sich direkt in die Raumladungszone einstrahlen, wobei aber trotzdem die an die Oberfläche tretende Raumladungszone keine neaen Probleme bezüglich der Beherrrschung der Spannung an dieser Stelle schafft. Damit wird das Licht sehr effektiv zur Erhöhung der lokalen Stromdichte ausgenutzt, wodurch die erforderliche Lichtleistung klein gehalten werden kann. Das Licht wird in der Raumladungezone absorbiert, wo die Elektron-Loch-Paaire sofort getrennt werden können. Es wird vermieden, dass das Licht in feldfreien Bereichen innerhalb der Oberfläche oder in der neutralen Basiszone absorbiert wird, wo die Ladungsträgerdichte nur proportional zur effektiven Lebensdauer erhöht werden kann.
Im folgenden werden für das Verständnis der Erfindung zweckmässige Grundlagen sowie AusfUhrungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigt:
Pig. 1 eine Thyristorstruktur, bei welcher die Lichtzündung über eine Kerbe in der kathodenseitigen Stirnfläche eines rückwärts sperrenden Thyristors bewirkt wird, in Seitenansicht,
Pig. 2 einen vorteilhaft abgewandelten oberen Teil einer Thyristorstruktur wie in Pig. I, und
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Thyristorstruktur mit besonders günstiger Geometrie des auf der Stirnfläche austretenden pn-üeberganges.
Die Thyristoretruktur gemäss Fig. 1 umfasst eine kathodenseitige p-Basiszone 1, in welcher eine η -Emitterzone 2 mit aufgesetztem Kathodenkontakt K vorgesehen ist, eine an die p-Basiszone 1 anschlieesende anodeneeitige n-Basiszone 3, eine p-Emitterzone 4 sowie eine ρ -Zone 5 mit aufgesetztem Anodenkontakt A. In der p-Basiszone 1 ist eine Kerbe 6 angebracht, welche von der Oberfläche der Thyristoretruktur bis in den Bereich der Raumladungszone x/y am vorwärts sperrenden pn-Uebergang zwischen den Basiszonen 1 und 3 reicht. Die Kerbe 6 ist von einer η -Zone 7 und einer direkt anschliessenden p+-Zone 8 umgeben, welche von einem gemeinsamen Kontakt 9 überbrückt sind, so dass sich insoweit die bekannte Struktur eines "Amplifying Gate" (vgl. z.B. "Dynamische Probleme der Thyristortechnik", VDE Tagungjkachen 15.|l6.9.71, S. 128 ff.) ergibt.
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4/74 - 5 -
In einer derartigen Thyristorstruktur tritt bei Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung die folgende Stromdichte J auf:
i Generationsstrom (z.B. thermische
Paarerzeugung) h* e Wirkungsgrade der p-n- und η p-
Uebergänge zwischen den Zonen 4/3 und 2/1 A , A Transportfaktoren für die Minoritäts
träger in den neutralen Bereichen der Zone 1 bzw. 3.
Vor dem Zünden ist J die Stromdichte des Sperrstroms.
Damit der Thyristor zündet, muss die folgende Bedingung erfüllt sein:
rh (j) fih (j) +re (j)/?e (J) « ι.
Der einfachste Weg, diese.-Bedingung zu erfüllen, besteht darin, die Abhängigkeit der Parameter von der Stromdichte auszunutzen, indem man den Generationsstrom J. erhöht.
Dieser Generationsstrom lässt sich durch Einstrahlen von Licht
sehr stark erhöhen. Nimmt man an, dass zum Zünden z.B. eine
Generationsetromdichte von 1 A/cm erforderlich ist, dann ist die Trägerstromdichte G gegeben durch
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^i IQ 2
Qs — a 0,62 ' 10 Träger pro cm pro Sekunde,
wobei q * elektrische Ladung eines Trägers.
Geht man jetzt z.B. von einem Nd:YAG-Laser (X = l,06yum) aus, dann beträgt die Absorptionskonstante 28 cm" für die üblichen relativ geringen Dotierungen (N * 10 cm";). Der Absorptionsfaktor über eine Länge der Rauraladungszone von 100 /x ist dann 0,25. Falls jedes absorbierte Lichtquant ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, resultiert eine Leistung pro Flächeneinheit von 3»^
2 2
Watt/cm . Wird eine Fläche von 1 mm ausgeleuchtet, dann ist
die erforderliche Leistung 34 m Watt. Diese Leistung muss jedoch nur während einiger/ib geliefert werden.
Um wenig Licht zu verlieren, bevor die Raumladungszone x/y erreicht wird, ist nun die Kerbe 6 vorgesehen, die gegebenenfalls bis zum Raumladungszonenrand reicht. Für hohe Vorwärtsspannungen ist die Raumladungszone bzw. Sperrschicht durch die punktiert gezeichnete Linie X begrenzt, für niedrigere durch die gestrichelt gezeichnete Linie Y. Die Breite der Raumladungszone wirkt sich auf die erforderliche Leistung dahingehend aus, dass bei einer kleinen Vorwärtsspannung die erforderliche Leistung steigt, da das Licht in diesem Fall mehr Silizium durchtreten muss, um die Sperrschicht zu erreichen. Aus diesen Gründen muss der Abstand der Kerbe gegenüber der Sperrschicht bzw. Raumladungszone sehr sorgfältig gewählt werden. Eine derartige Thyristorstruktur ist daher bezüglich der Tiefe der Kerbe
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ziemlich kritisch, und die Herstellung mit grossen*Schwierigkeiten verbunden.
Durch die im folgenden anhand der Fig. 2 beschriebene, erfindungsgemäss besonders bevorzugte Struktur können jedoch die erwähnten Schwierigkeiten vollständig vermieden werden. Gemäss Fig. 2 ist die schwach dotierte anodenseitige n-Basiszone 3 in einem schmalen Kanal 10 bis an die Oberfläche der Thyristorstruktur im Bereich der Kathode K geführt. Der Kanal .
10 besitzt die Breite B und die von der Kathodenoberfläche
11 bis zum vorwärts sperrenden pn-Uebergang 13 gerechnete Tiefe L.
Bei relativ niedriger Vorwärtsspannung wird die Raumladungszone durch die Linie Z (strichpunktiert) längs des (durch eine ausgezogene Linie dargestellten) pn-Ueberganges 13 zwischen den Basiszonen 1 und 3 begrenzt. Dabei bleibt ein Bereich im Zentrum des Kanals 10 zunächst neutral. Wird die angelegte Spannung jedoch erhöht, so verkleinert sich der neutrale Bereich und es wird schliesslich der gesamte Kanal 10 von Ladungsträgern ausgeräumt. In Fig. 2 sind diese Verhältnisse durch die gestrichelte Linie Y für eine mittlere VorwärtsSperrspannung und durch X (punktiert) für eine höhere VorwärtsSperrspannung angedeutet. Die zum Ausräumen des Kanals notwendige Spannung U1, hängt von dem p-Profil der Basiszone 1, dem Grad der η-Dotierung der Basiszone 3 und von der Kanalbreite B ab.
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Durch geeignete Wahl dieser Parameter kann ein bestimmtes Betriebaverhalten für den Thyristor gewählt werden. Wird die VorwärtsSperrspannung noch weiter erhöht, so nimmt die positive Spannung im Kanal 10 gegenüber der Kathode bzw. dem neutralen Teil der p-Zone 1 nicht weiter zu, weshalb sich auch die Raumladungezone in Oberflächennähe und auch in der p-Basiszone 1 nicht weiter ausdehnt.
Bei genügender Tiefe L des Kanals ist es demnach möglich, die Spannung zwischen dem neutralen p-Gebiet und dem Zentrum des Kanals 10 an der Oberfläche auf einem wählbaren Wert der Grenzspannung Uj. zu halten, auah wenn die Vorwärt spannung weiter anwächst .
Die den Kanal 10 umgebende η -Zone 7 sowie die ρ - Zone 8 und der gemeinsame Kontakt 9 dienen als ein integriertes, den Zündstrom verstärkendes Element ("Amplifying Gate"). Die durch die auf die Raumladungszone an der Stirnfläche 11 auf t reff ende. -. Lichtstrahlung unmittelbar erzeugten Ladungsträgerpaare werden dann in dem bestehenden Feld sofort getrennt und es bildet sich ein Zündstrom aus, der wie der übliche Steuerelektrodenstrom das Verstärkerelement 7,8,9 und schliesslich den Hauptthyristor zündet.
Zur Herstellung einer derartigen Thyristorstruktur kann beispielsweise ein schwach η-dotiertes Substrat mit einer Maske abgedeckt werden, deren Durchmesser etwas grosser ist als die
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H/V* - 9 -
Kanalbreite B, etwa B + 2L, worauf anschließend eine p-Diffuaion zur Herstellung der p-Basis 1 vorgenommen wird. Dazu eignen sich beispielsweise bekannte Technologien. Auch die übrigen Teile des Thyristors werden nach bekannten Technologien hergestellt und brauchen deshalb hier nicht eigens beschrieben z" werden.
Bei der Dimensionierung eines Elementes wie in Pig. 2 kann wie folgt vorgegangen werden:
Wenn von einem handelsüblichen Thyristor ausgegangen wird, bei dem der metallurgische.vorwärtssperrende pn-üebergang (13 in Fig. 2) nach einer tiefen Aluminium-Diffusion in einem n-Substrat 95 um unter der kathodenseitigen Stirnfläche 11 des Thyristors liegt, so beträgt also die Tiefe L des Kanals L = 95/ira. Bei dem Thyristor ist dann z.B. die Oberflächendotierung der kathodenseitigen Basiszone 1 N. = 1,5 · 10 cm , die n-Basisdotierung der anodenseitigen Basiszone J L s 6,5 . 10 cm .
Das Dotierungsprofil der Basiszone 1 verläuft . etwa nach N iZ) - NA erfc (Z/ZQ), wobei Z die von der Stirnfläche 11 senkrecht in den Thyristor gemessene Ortskoordinate· ist und Z ■= ^7/M Für einen solchen pn-Uebergang ist die (LawinerMurchbruchspannung etwa U = 2700 Volt. Bei dieser Spannung erstreckt sich die Sperrschicht bzw. Raumladungszone 35/im in die p-Zone 1, und 200 /im in die n-Zone 3. Die Breite B des Kanals bestimmt sich wesentlich nach der zuläs-
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sigen Potentialdifferenz ü„ auf der Oberfläche 11 des Thyristore zwischen dem Zentrum des Kanals 10 und der p-Zone 1. Wird z.B. UR s 19Q ν vorgeschrieben, so dass sich eine Breite der Sperrschicht im η-Gebiet der Zone 3 zu 50 jam ergibt, so beträgt die Kanalbreite entsprechend B » 2 χ 50 /im s 100/im. Für Spannungen zwischen der Anode A und der Kathode K, die grosser sind als U^, ändert sich der Potentialverlauf, wie schon weiter oben gesagt bei der erfindungsgemässen Struktur vorteilhafterweise nicht mehr.
In der Praxis ist auch dei minimale Anoden-Kathoden-Spannung U„
wichtig, bei der der Thyristor noch gezündet werden kann. Untersuchungen ergaben, dass dies bei der vorstehend erläuterten Struktur noch für U- = 30 Volt ohne weiteres möglich ist. Das erklärt sich daraus, dass die Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche, die beim Zündprozess den durch die Lichteinstrahlung erzeugten Zündstrom vermindert, für die vorgeschlagene Struktur praktisch keine.Rolle spielt. Der Zündstrom wird auch nicht durch eine Rekombination der Ladungsträger im Innern des Elementes aufgrund des von der Diffusionslänge abhängigen Transportfaktors vermindert.
Um den Thyristor zu zünden, kann beispielsweise ein Zündstrom von I17 3 100 raA benötigt werden.
Die Zahl der die Zündung bewirkenden Ladungsträgerpaare ist proportional der Fläche F * b.l der Sperrschicht bzw. Raumladungszone, die diese mit der Oberfläche der Stirnfläche 11 des Thyristors bildet. Bei U2 = 30 Volt ist die Breite der
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-U-
Sperrschicht am pn-Uebergang 13 b = 12,5 *an + 21,5 pn = 3^ /im. (12,5 um ist die Eindringtiefe in die p-Zone 1, 21,5 (um die in. die n-Zone 3.) Um P möglichst gross zu machen, wird man daher die Länge 1 der Linie, auf welcher der pn-Uebergang 13 die Stirnfläche 11 des Thyristors schneidet, möglichst gross machen.
Eine hierfür geeignete Lösung ist beispielsweise die in Fig. 3 gezeigte Kammstruktur der an die Oberfläche stossenden n-Zone 3 bzw. 10. Bei dieser Anordnung mit B = 100 jam ist die Länge des pn-Ueberganges 13 1 = 36 mm, wobei die Kammstruktur in einem Kreis des Durchmessers D = 3 mm untergebracht ist. Die Fläche P der Sperrschicht nimmt dann etwa Ic der Kreisfläche
von 0,07 cm ein.
Bei einer derartigen Anordnung muss der Teil der zur Zündung des Thyristors dienenden Lichtquelle, der auf die Fläche F
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abgebildet wird, etwa 2,5 . 10 ? Photonen pro Sekunde mit einer Energie>1,1 eV ausstrahlen. Das ergibt für eine Temperatur-Lichtquelle, z.B. einen Wolfram-Draht, eine erforderliche Leistung von etwa 16 W(als Anhaltswert), die jedoch natürlich nur in Form eines Lichtblitzes von 10-100 usec Dauer zur Verfügung stehen muss.
Zweckmässigerweise verwendet man daher als Lichtquelle eine Lichtbogenlampe.
Es mag noch erwähnt werden, dass selbstverständlich auch noch
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andere günstige geometrische Strukturen als die in Fig. 3 gezeigte müglich sind. Insbesondere braucht das Gebiet 10, in welchem die η-Dotierung der Basiszone 3 bis an die Oberfläche reicht, auch keineswegs zusamaenhängend sein.
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Claims (1)

  1. - 13 - ^/7«t D
    Patentansprüche
    ί l.y Thyristor, der durch die Beaufschlagung mit einem Lichtbündel schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass er auf mindestens einer Stirnfläche (11) ein Gebiet aufweist, in welchem die bei der Polung in Schaltrichtung vor dem Schalten entstehende Sperrschicht (X/Y/Z) an die Oberfläche treten kann, und dieses Gebiet mit dem das Schalten bewirkenden Lichtbündel (12) beaufschlagbar ist.
    2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem genannten Gebiet der Stirnfläche (11) eine Kerbe (6) vorgesehen ist, welche von der Oberfläche bis in den Bereich der allfälligen Sperrschicht (Y) reicht. (Fig. 1)
    3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schaltrichtung sperrende pn-Uebergang (13) in dem genannten Gebiet der Stirnfläche (11) an die Oberfläche tritt. (Fig. 2)
    k. Thyristor nach Anspruch 3, welcher rückwärts sperrt, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Basiszone (3) in mindestens einem sich durch die kathodenseitige Basiszone (1) erstreckender Kanal (10) bis an die Oberfläche
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    des Thyristors geführt ist, derart, dass der in Vorwärtsrichtung sperrende pn-Uebergang (13) in dem genannten Gebiet an die Oberfläche tritt.
    5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (B) des Kanals gleich zweimal der Distanz ist, um die sich die Sperrschicht vom pn-Uebergang (13) in die anodenseitige Basiszone (3) bei einer Spannung erstreckt, die gleich der höchstzulässigen Spannung (U ) zwischen dem Zentrum des Kanals (10) an der Stirnfläche (11) und der Oberfläche der kathodensextxgen Basiszone (1) ist, und die Tiefe (L) des Kanals gleich der Tiefe des pn-Ueberganges (13) ist.
    6. Thyristor nach Anspruch 3, 4- oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Uebergang (13) durch geeignete geometrische Ausbildung mit möglichst grosser Länge (1) an die Oberfläche tritt.
    7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Basiszone (3) in einer Kammstruktur an die Oberfläche des Thyristors tritt. (Fig. 3)
    8. Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-7, da-
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    durch gekennzeichnet, dass das genannte Gebiet, in welchem der Kanal (10) an die Oberfläche tritt, von einer hoch η-dotierten Ringzone (7) und einer daran anschliessenden hoch p-dotierten Ringzone (8) umgeben ist, und die hoch η-dotierte Ringzone (7) an der Oberfläche durch einen Kontakt (9) mit der hoch p-dotierten .Ringzone (8) metallisch leitend verbunden ist.
    9. Verfahren zur Herstellung des Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in ein schwach n-dotieres Halbleitersubstrat eine p-Dotierung zur Bildung der äusseren Basiszone (1) eindiffundiert wird, wobei der Bereich des Kanals (10) durch eine Maske abgedeckt wird.
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri &'Cie.
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DE2408079A 1974-01-18 1974-02-20 Lichtschaltbarer Thyristor Expired DE2408079C2 (de)

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