DE2438894C3

DE2438894C3 - Thyristor mit Kurzschlußemitter

Info

Publication number: DE2438894C3
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: 1979-02-22
Also published as: CA1038084A; DE2438894B2; GB1479113A; JPS5144482A; FR2282167B1; DE2438894A1; SE409260B; FR2282167A1; SE7509089L; JPS5530309B2

Description

2i

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, wobei die Kurzschlüsse einen Durchmesser von <20μιη haben.

Ein solcher Thyristor ist beispielsweise in der DE-AS 11 66 940 beschrieben worden. Dieser Thyristor hat r> Kurzschlüsse mit einem Durchmesser zwischen 5 und 15 μΐη. Damit wird eine Verbesserung des du/dt-Verhaltens bezweckt. Diese Verbesserung kann damit erklärt werden, daß ein Teil der beim Anlegen einer Spannung ι η den Thyristor zur Emitterzone fließenden Elektronen -to 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 4> großer kurzgeschlossener Emitterfläche erst bei höheren dü/d;-Werten als bei Thyristoren mit kleiner kurzgeschlossener Emitterfläche ein. Gleichzeitig wird derjenige Wert des Thyristorstromes erhöht, bei dem der Thyristor ohne eingespeisten Steuerstrom in den w leitenden Zustand geschaltet wird. Dieser Strom wird als Kippstrom (break-over-Strom) /'"'■'bezeichnet.

Zur Verbesserung des du/di-Verhaltens und zur Erhöhung des Stromes t^lv> > könnte die kurzgeschlossene Fläche zum Beispiel durch Vergrößerung des Durch- r> messers der Kurzschlüsse vergrößert werden. Die Kurzschlüsse stellen jedoch für die Ausbreitung des von der Steuerelektrode benachbarten Emitterrand ausgehenden Zündvorganges ein Hindernis dar. Bei Vergrößerung der Kurzschlüsse würde die Ausbreitung des ω Zündvorganges daher stark behindert werden. Außerdem würde wegen der relativ kleinen ziindbaren Fläche die am Thyristor in Durchlaßrichtung abfallende Spannung relativ hoch werden.

Es ist bereits ein Thyristor beschrieben worden (siehe b^r> US-PS 34 76 992), bei dem das du/dt-Verhalten verbessert wird, ohne die Ausbreitung des Zündvorganges zu beeinträchtigen. Dazu erhalten die Kurzschlüsse im wesentlichen gleichmäßige Abslände voneinander, wobei die der Steuerelektrode benachbarten Kurzschlüsse weiter vom pn-Übergang entfernt sind, als ihre Entfernung untereinander beträgt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß das dü/d/-Verhalten verbessert wird, der Strom i^Sl> optimiert wird, die Freiwerdezeit verringert wird, ohne die Durchlaßspannung zu erhöhen und die Zündausbreitung wesentlich zu beeinträchtigen.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser (τ") — 3 ist.

Dieses Verhältnis markiert einen Wert, bei dem der Strom ΐ¹*') mit kleiner werdendem Durchmesser nur noch geringfügig ansteigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Aufsicht auf einen Teil einer Thyristortablette,

Fig. 2 einen teilweisen, vergrößerten Querschnitt entlang der Linie 11-11 der Fig. 1 und

F i g. 3 ein Diagramm, in dem der Strom Ρ"> in Abhängigkeit vom Abstand der Kurzschlüsse mit dem Verhältnis Abstand zu Durchmesser·^- als Parameter

aufgetragen ist.

In F i g. 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 c/bezcichnct.

In Fig. 2 ist anschaulich erläutert, auf welche Weise der Durchmesser der Kurzschlüsse einen Einfluß auf das du/dt-Verhalten und den Strom #'»·> hat. In dieser Figur ist ein vergrößerter Ausschnitt aus der Thyristortablette nach Fig. 1 entlang der Linie 11-11 gezeigt. Gleiche Teile wie in F i g. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wird an die Elektroden 2 und 7 des Thyristors eine Spannung der angegebenen Polarität angelegt, so bildet 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 unterhalb der Emitterzone 5 wegen der dort höchsten Do'ierung 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 Siliciumthyristoren bei etwa 0,4 V 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 Kur/.schlus-

ies abnehmenden lateralen .Stromdichte. Damit wird «war das du/d/-Verhalten verbessert und der Strom '(''·■> L-rhöht; die Zündausbreilung wird jedoch wesentlich langsamer, und die Durchlaßspannung erhöht sich. Würde der Durchmesser des Kurzschlusses 6 verringert, ι so würde zwar die Zündausbreitung weniger gesiöri lind die Durchlaßspannung des Thyristors entsprechend sinken, das du/dt-Verhallen jedoch würde schlechter und der Strom /*"' kleiner.

Optimale du/df-Eigenschaften, großei Strom /?'*■> und i» gleichzeitig gute Zündausbreilung und niedrige Durchlaßspannung sowie geringe Freiwerdezeit sind erreichbar, wenn der Durchmesser der Kurzschlüsse <20μηι gemacht wird, wobei das Verhältnis von Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser > 3 r> sein muß.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen dem Strom /*·■', 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 H¹*') für abnehmende Werte des Abstandes der Kurzschlüsse bei gleichbleibendem Verhältnis Abstand zu Durchmesser bis zu einem bestimmten Wert erhöht und daß der r> Strom P*'> ab einem gewissen Wert mit kleiner werdendem Abstand α konstant bleibt. Es ist weiterhin ersichtlich, daß der Strom f¹"¹* für größere Werte von -§-abnimmt. So ist der Strom /*'"■> für das Verhältnis von » jo

-τ- = 7 deutlich höher als für das Verhältnis -=- = 2ü. a a

Das Verhältnis von -j = 3 zu unterschreiten erscheint jedoch wenig sinnvoll, da dort die kurzgeschlossene r> Emitterfläche bereits etwa 10% beträgt. Die Ausnützung der Thyrislorfläche 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 Eindilfundieren herzustellen. Damit läßt sich eine in lateraler Ricniung homogene Emitterzone erzielen, die auf die Gleichmäßigkeit der Zündung zusätzlich positive Auswirkungen hat. Bei der gegenwärtig hauptsächlich verwendeten Fotomaskierurgstechnik ist es daher sinnvoll, den unteren Wert für den Durchmesser der Kurzschlüsse größer a!s 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. Es soll noch erwähn! werden, daß das gezeigte Diagramm in Fig. 3 für ein bestimmtes Dotierungsprofil in der Basiszone gilt. Für steilere Dotierungsprofile z. B. ändern sich die Werte für den Strom f¹*·) in dem Sinne, daß der Strom if¹"'¹ im abfallenden Teil der Kurve niedriger wird.

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. 2000 V, Kurzschlußdurchmessern von 300 um und Abständen von 2 mm, ein maximales du/dt von 500 V/ns gemessen, bei einem Thyristor mit gleichem Aufbau, jedoch Kurzschlußdurchmessern von 20 μπι und Abständen von 250 μηι wurde ein maximales du/dt von ca. 5000 V/ns erreicht. Außerdem iag die Freiwerdezeh um den Faktor 3 niedriger, die Durchlaßspannung war etwa gleich, und lediglich die Zündausbreitungsgeschwindigkeit lag etwa um 30% unter dem Wert herkömmlicher Thyristoren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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, wobei die Kurzschlüsse einen Durchmesser von <20μπι haben, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Abstand zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser (-A> 3 ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- r> zeichnet, daß der Durchmesser der Kurzschlüsse mindestens so groß wie die Eindringtiefc der Emitterzone ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone durch Ionen- 2ii implantation und anschließendes Eindiffundieren der implantierten Stoffe hergestellt ist.