DE2438894A1

DE2438894A1 - Thyristor mit kurzschlussemitter

Info

Publication number: DE2438894A1
Application number: DE2438894A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Burtscher; Helmut Dr Phil Strack
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-13
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1976-02-26
Also published as: DE2438894B2; DE2438894C3; JPS5530309B2; CA1038084A; JPS5144482A; SE409260B; FR2282167B1; GB1479113A; SE7509089L; FR2282167A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, 13. AUG. 1974

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

74/1135

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens einer außenliegenden Emitterzone und einer angrenzenden Basiszone, die durch in der Emitterzone angeordnete Kurzschlüsse mit einer mit der Emitterzone verbundenen Emitterelektrode elektrisch verbunden ist.

Solche Thyristoren sind allgemein bekannt. Die genannten Kurzschlüsse haben den Zweck, das du/dt-Verhalten des Thyristors zu verbessern. Die Verbesserung des du/dt-Verhaltens kann anschaulich d'-imit erklärt werden, daß ein Teil der beim Anlegen einer Spannung an den Thyristor zur Emitterzone fließenden Elektronen über die Kurzschlüsse direkt zur Emitterelektrode abfließt, ohne eine Emission von Ladungsträgern aus der Emitterzone zu verursachen. Eine Emission von Ladungsträgern aus der Emitterzone setzt beim Zünden durch eine angelegte Spannung bei Thyristoren mit großer kurzgeschlossener Emitterfläche erst bei höheren du/dt-Werteii als bei Thyristoren mit kleiner kurzgeschlossener Emitterfläche ein. Gleichzeitig wird derjenige Wert des Thyristorstroms erhöht, bei dem der Thyristor ohne eingespeisten Steuerstrom in den leitenden Zustand geschaltet wird. Dieser Strom v/ird als "break-over-Strom" i^ °' bezeichnet.

VPA 9/19o/4o22 Hab/Barn · - 2 -

609809/05Λ7

Zur Verbesserung des du/dt-Verhaltens und Erhöhung des Stromes i ' °' könnte die kurzgeschlossene Fläche z. B. durch Vergrößerung des Durchmessers der Kurzschlüsse vergrößert werden. Die Kurzschlüsse stellen jedoch für die Ausbreitung des vom der Steuerelektrode benachbarten Emitterrand ausgehenden Zündvorgangs ein Hindernis dar. Bei Vergrößerung der Kurzschlüsse würde die Ausbreitung des Zündvorgangs daher stark behindert v/erden. Außerdem würde wegen der relativ kleinen zündbaren Fläche die am Thyristor in Durchlaßrichtung abfallende Spannung relativ hoch werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß das du/dt-Verhalten verbessert wird, der Strom i ^ °' erhöht wird, die Freiwerdezeit verringert wird, ohne die Durch laßspannung zu erhöhen und die Zündausbreitung wesentlich zu beeinträchtigen.

Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß diese Ziele mit einer maßstäblichen Verkleinerung des kurzgeschlossenen Emitters, d. h. Verkleinerung und Vermehrung der Kurzschlüsse bei konstantem Verhältnis von Durchmesser der Kurzschlüsse zu ihrem Abstand voneinander erreicht werden können.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlüsse einen Durchmesser von - 60 /um haben und daß das Verhältnis vom Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu iiirem Durchmesser (|) >~ 3 ist.

Es ist zwar bereits ein Thyristor beschrieben worden, bei dem der Durchmesser der Kurzschlüsse zwischen 5 und 15 /um liegt. Über den Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse ist jedoch nichts ausgesagt. Es ist auch bereits ein Thyristor beschrieben worden, bei dem sowohl der Durchmesser der Kurzschlüsse als auch ihr Abstand angegeben ist. In diesem Fall liegen die Durchmesser der Kurzschlüsse jedoch zwischen I00 und 2oo /um und die Abstände bei etwa 1 mm.

VPA 9/19o/4o22 - 3 -

6 0 9 8 0 9 / 0 R U 7

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 die Aufsicht auf einen Teil einer Thyristortablette,
Pig. 2 einen teilweisen, vergrößerten Querschnitt entlang der

Linie II-II der Pig. 1 und
Pig. 3 ein Diagramm, in dem der Strom i \ ' in Abhängigkeit

vom Abstand der Kurzschlüsse mit dem Verhältnis Abstand
zu Durchmesser -τ als Parameter aufgetragen ist.

In Fig. 1 ist der Halbleiterkörper eines Thyristors mit 1_ bezeichnet; er weist eine Emitterelektrode 2 auf, die mit einer
Emitterzone 5 elektrisch verbunden ist. Die angrenzende Basiszone, die in der Aufsicht unter der Emitterzone 5 liegt, ist mit 4 bezeichnet; sie ist mit einer Steuerelektrode 3 elektrisch verbunden. In der Emitterzone 5 sind Kurzschlüsse 6 vorgesehen, die hier beispielsweise auf einem zur Steuerelektrode 3 konzentrischen Kreis angeordnet sind. Die Kurzschlüsse 6 können aber auch anders angeordnet sein. Durch die Kurzschlüsse 6 wird die Basiszone 4 mit
der Emitterelektrode 2 elektrisch verbunden. Die Abstände zweier benachbarter Kurzschlüsse sind mit a und ihr Durchmesser ist mit d bezeichnet.

In Pig. 2 ist anschaulich erläutert, auf welche Weise der Durchmesser der Kurzschlüsse einen Einfluß auf das du/dt-Verhalten und den Strom i °' hat. In dieser Pigur ist ein vergrößerter Ausschnitt aus der Thyristortablette nach Pig. 1 entlang der Linie
II-II gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wird an die Elektroden 2 und 7 des Thyristors eine Spannung der angegebenen Polarität angelegt, so bildet

VPA 9/19o/4o22 - 4 -

609809/0

sich ein Stromfluß aus, der dem durch die Pfeile angedeuteten Verlauf entspricht. Dieser Strom fließt im wesentlichen von der Basiszone 6 ausgehend in axialer Richtung auf. die Emitterelektrode 2 zu, fließt dann unterhalt der Emitterzone 5 wegen der dort höchsten Dotierung in lateraler Richtung auf den Kurzschluß 6 zu und von dort in die Emitterelektrode 2. Dieser Strom erzeugt einen Spannungsabfall unter der Emitterzone 5» der - bezogen auf das Potential der Emitterelektrode 2 - am Außenrand 8 des Emitters 5 am größten ist. Übersteigt der Spannungsabfall einen bestimmten Wert, der für SiIiciumthyristoren bei etwa 0,4V liegt, so zündet der Thyristor an dieser Stelle. Macht man den Durchmesser des Kurzschlusses 6 größer, so verringert sich der Spannungsabfall unter der Emitterzone 5 wegen der mit zunehmendem Umfang des Kurzschlusses abnehmenden lateralen Stromdichte. Damit wird zwar das du/dt-Verhalten verbessert und der Strom i ^ °' erhöht; die Zündausbreitung wird jedoch wesentlich langsamer und die Durchiaßspannung erhöht sich. Vfiirde der Durchmesser des Kurzschlusses 6 verringert, so würde zwar die Zündausbreitung weniger gestört und die Durchlaßspannung des Thyristors entsprechend sinken, das du/dt-Verhalten jedoch würde schlechter und der Strom i ^ ' kleiner.

Optimale du/dt-Eigenschaften, großer Strom i ^ ' und gleichzeitig gute Zündausbreitung und niedrige Durchlaßspannung sowie geringe Freiwerdezeit, sind erreichbar, wenn der Durchmesser der Kurzschlüsse - 6o /um gemacht wird, wobei das Verhältnis von Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser *= 3 sein mu!3.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen dem Strom i {"°'_t der auch ein Maß für die du/dt-Eigenschaften ist, in Abhängigkeit vom Abstand der Kurzschlüsse mit dem Verhältnis Abstand zu Durchmesser der Kurzschlüsse als Parameter aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß sich der Strom i *· °' für abnehmende Werte des Ab-

VPA 9/19o/4o22 - 5 -

609809/05A7

Standes der Kurzschlüsse bei gleichbleibendem Verhältnis Abstand zu Durchmesser bis zu einem bestimmten Wert erhöht und daß der

Strom i ^ °' ab einem gewissen Wert mit kleiner werdendem Abstand a konstant bleibt. Es ist weiterhin ersichtlich, daß der Strom i für größere Y/erte von § abnimmt. So ist der Strom i ^ ' für das

a a

Verhältnis von 3 = 7 deutlich höher als für das Verhältnis ■? = 2o.

Das Verhältnis von ■? = 3 zu unterschreiten erscheint jedoch wenig sinnvoll, da dort die kurzgeschlossene Emitterfläche bereits etwa 1o io beträgt. Die Ausnützung der Thyristorfläche würde damit sehr schlecht werden.

Die untere theoretisch sinnvolle Grenze des Durchmessers der Kurzschlüsse ist durch den Übergang der Kurven in die Waagrechte bestimmt. Empfehlenswert ist es, die Dotierung der Emitterzone und die Kurzschlüsse durch die bekannte Ionenimplantation und anschließendes Eindiffundieren herzustellen. Damit läßt sich eine in lateraler Richtung homogene Emitterzone erzielen, die auf die Gleichmäßigkeit der Zündung zusätzliche positive Auswirkungen hat. Bei der gegenwärtig hauptsächlich verwendeten Fotomaskierungstechnik ist es daher sinnvoll, den unteren Wert für den Durchmesser der Kurzschlüsse größer als die Dicke der η-Emitterzone zu machen.

Der untere praktisch sinnvolle Durchmesser ist dagegen durch die verwendete Technologie bei der Herstellung des Emitters und der Kurzschlüsse gegeben, z. B. ist es wegen der allseitigen Ausbreitung der Diffusionsfronten auch unter den Masken für die Kurzschlüsse nur schwer möglich, Kurzschlüsse mit Durchmessern zu erzeugen, die kleiner als die Eindringtiefe des Emitters sind.

VPA 9/19o/4o22 - 6 -

6098Ü9/0547

Es soll noch erwähnt v/erden, daß das gezeigte Diagramm in Fig. 3 für ein bestimmtes Dotierungsprofil in der Basiszone gilt. Pur steilere Dotierungsprofile z. B. ändern sich die Werte für den Strom i ^ 'in dem Sinne, daß
Teil der Kurve niedriger wird.

Strom i ^ 'in dem Sinne, daß der Strom i ^ °' im abfallenden

Mit der Erfindung wurden gegenüber den bisher bekannten Thyristoren bei bis auf Durchmesser und Abstände der Kurzschlüsse gleichen Parametern bessere Eigenschaften erzielt. So wurden bei einem herkömmlichen Thyristor mit einer Sperrspannung von ca. 2ooo V, Kurzschlußdurchmessern von 3oo /um und Abständen von 2 mm ein maximales du/dt von 5oo V/ns gemessen, bei einem Thyristor mit gleichem Aufbau, jedoch Kurzschlußdurchmessern von 2o /um und Abständen von 25o /um wurde ein maximales du/dt von ca. 5ooo V/ns erreicht. Außerdem lag die Freiwerdezeit um den Faktor 3 niedriger, die Durchlaßspannung war etwa gleich und lediglich die Zündausbreitungsgeschwindigkeit lag etwa um 3o fo unter dem Wert herkömmlicher Thyristoren.

4 Patentansprüche
3 Figuren

VPA 9/i9o/4o2,? - 7 -

6098Ü9/05A7

Claims

P_a_t_e_n_t_a_n_s_p__r_ü_c_h_e

( 1.) !Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens einer - außenliegenden Emitterzone und einer angrenzenden Basiszone, die durch in der Emitterzone angeordnete Kurzschlüsse mit einer mit der Emitterzone verbundenen Emitterelektrode elektrisch verbunden ist, dadurch gekenn zeich net , daß die Kurzschlüsse (6) einen Durchmesser von ^ 6o /um haben und das Verhältnis von Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser (-τ) ^ 3 ist.
2.) Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Durchmesser ^ 2o /um ist.
3.) Thyristor nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Durchmesser der 'Kurzschlüsse mindestens so groß wie die Eindringtiefe der Emitterzone ist.
4.) Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3,dadurch ge kennzeichnet , daß die Emitterzone durcn Ionenimplantation und anschließendes Eindiffundieren hergestellt ist. .
VPA 9/19o/4o22
6 0 9 8 0 9/0547