DE2546321A1

DE2546321A1 - Du/dt - schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE2546321A1
Application number: DE19752546321
Authority: DE
Inventors: Patrick Dipl Ing Debruyne; Roland Dr Sittig
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1975-10-16
Publication date: 1977-04-07
Also published as: CH595716A5; NO763249L; JPS5240984A

Description

dU/dt - Schutzvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente gegen zu hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten dU/dt, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schutzvorrichtung.
Beim Einsatz von Thyristoren in elektrischen #Schaltungen wird entweder eine normale Belastung des Thyristors vorgesehen, die weit unter den zulässigen Grenzwerten liegt, oder es muss eine besondre Schaltung zum Schutz der Thyristoren aufgebaut werden. Dies ist besonders bei Hochspannungsstromrichtern, bei denen Vielfachreihenschaltungen von Thyristoren verwendet werden, erforderlich, weil bei derartigen Anlagen in besonders hohem Masse die Gefahr einer ungleichen und zu hohen Beanspruchung einzelner Thyristoren besteht, Die Begrenzung der an den Thyristor-geführten Spannung erfolgt durch RC-Glieder (vgl. z.B. H. Laber: ochspannungsstromrichter mit Thyristoren", Siemens Zeitschrift 47 (1973), S. 823 ff.) und/oder durch Halbleiter-Spannungsbegrenzer (vgl. z.B. Brown Boveri Mitteilungen 1972, Seite 476 ff).
Aus dem genannten Artikel von H. Laber ist es ebenfalls bekannt, durch geeignete Wahl von Kapazitäten oder Induktivitäten Thyristoren gegen zu hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten dU/dt, die ebenfalls ein unerwünschtes Zünden der Thyristoren bewirken, zu schützen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine dU/dt-Schutzvorrichtung für steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente, also Thyristoren, anzugeben, die einfach und wirtschaftlich herzustellen ist, und die die besondere, zum Schutz des Thyristors vorgesehene Schaltung wesentlich vereinfach.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Schutzvorrichtung aus mindestens einem, zwischen der Hauptelektrode und der Steuerelektrode des zu schützenden Bauelementes angeordneten Ilalbleiterbaueleinent mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, von denen die erste und die vierte Zone, die Emitter, jeweils mit einer ersten und einer zweiten Elektrode kontaktiert sind, und die zweite Zone, die Basis zone, einen Bereich erhöhter Dotierungskonzentration aufweist, welcher mit einer dritten Elektrode kontaktier ist, und dass zwischen der ersten Elektrode des ersten Emitters und der dritten Elektrode eine ohmische Verbindung vorgesehen ist.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Tatsache, dass beim Auftreten einer fest vorgegebenen Spannungs anstiegs geschwindigkeit dU/dt ein spezielles Schutzelement, bzw. ein Modul, das aus mehreren solcher in Serie geschalteter Schutzelemente besteht, welches zwischen der Anode und der Stellerelektrode (~Gate") des zu schützenden Thyristors angeordnet ist, einschaltet und dadurch einen Gatestrom liefert, mit dem der zu schützende Thyristor normal gezündet wird, bevor er durch Zündung auf Grund einer zu hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zerstört werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung-ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt: Fig. 1 einen Schnitt durch das IIalbleiterbauelement einer Schutzvorrichtung nach der Erfindung Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für einen Teil des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1; Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement nach Fig. 1; Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von mehreren Halbleiterbauelementen gemäss Fig. 1 bei ihrer Herstellung aus einer einzigen Siliziumscheibe Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelementes nach Fig. 1, mit an die Anode, die Kathode und das Gate angelöteten Anschlüssen; und Fig. 6 eine elektrische Schaltung mit durch die Schutzvorrichtung nach der Erfindung geschützten Thyristoren.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement einer Schutzvorrichtung nach der Erfindung, mit einer N + PNP + -Zonenfolge. Die N+ -Zone (der erste Emitter) ist hierbei mit 4 die P-Zone (Basiszone) mit 2, die N-Zone mit 3 und die P Zone (der zweite Emitter) mit 4 bezeichnet. Die Zonen 1, 2 und 4 sind mit Kontaktflächen 6, 7 und 8 versehen. Unter der Kontatflachc 7 weist die P-Zone 2 einen Bereich 5 erhöhter Dotierung (Gate-Zone) auf.
Um die Wirkungsweise des neuen Bauelementes zu erklären, sei die Kathode K geerdet und die Kontaktfläche 7 der P-Zone 2 über eine elektrisch leitende Verbindung 9 (Kurzschluss oder Widerstand) mit der Kathode K verbunden. Bei einem Anstieg.
der zwischen Anode A und Kathode K liegenden Spannung mit konstantem dU/dt wird der Zonenübergang J2 in Sperrichtung belastet, und es baut sich eine Raumladungszone auf. Die abfliessenden Ladungsträger ergeben einen Strom: wobei C die Kapazität des Ueberganges J2 ist, die selbst wieder von der anliegenden Spannung abhängt. (Zur Erklärung der Wirkungsweise kann sowohl die Kapazität C, als auch die Stromdichte j dieses kapazitiven Stromes über die ganze Fläche des Ueberganges J2 als konstant angenommen werden). Für den oberen Teil des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes ergibt sich dann das in Fig. 2 dargestellte Ersatzschaltbild. Dem PN-Uebergang J1 zwischen der N -Zone 1 und der P-Zone 2 entspricht die Diode D; dem. lateralen Widerstand in der P-Zone 2 unterhalb der Nf-Zone 1 entspricht der Widerstand RK, und zwischen N+-Zone 1 und P+-Bereich 5 der Widerstand Rs; der äusseren Verbindung 9 vom Gate G zur Kathode K entspricht der Widerstand RA. Die N#-Zone 1 und der P Bereich 5 können als Aequipotentialflächen angesehen werden, so dass die höchste Potentialdifferenz am Uebergang J1 im Punkt Z auftritt. Sie beträgt: Eg(Z) = spezifische Leitfähigkeit in einer Tiefe Z innerhalb der P-Zone 2 K : Eindringtiefe der N+ -Zone 1 ZT = Eindringtiefe der P-Zone 2 1K Breite der N + -Zone 1 Abstand zwischen der N -Zone 1 und des P + -Bereiches 5 F = Fläche des Zonenüberganges J2 bedeuten.
Aus dieser Formel ist ersichtlich, wie die zum Zünden bei einem fest gewählten dU/dt notwendige Spannung U Z am Uebergang J1 eingestellt werden kann: Für ein vorgegebenes P-Profil, und damit für vorgegebene Widerstände RK und Rs, ergeben sich folgende Möglichkeiten: 1. RA wird praktisch zu 0 gemacht (Kurzschluss)- und 1K und 1S sind entsprechend zu bemessen, oder 2. 1K und 1S werden so klein gewählt, dass der Spannungsabfall im Silizium nicht ausreicht und die Zündung mit Hilfe des Widerstandes RA eingestellt#wird.
Der Vorteil der 1. Möglichkeit besteht darin, dass die Herstellung besonders einfach ist. Eine nachträgliche Einstellung des genauen Zilndwertes ist aber nur noch durch Vergrösserung #des Widerstandes R5 mit Hilfe einer Grabenätzung möglich. Bei der 2. Möglichkeit kann hingegen der genaue Zündwert am fertigen Element eingestellt werden.
Schutzelemente dieser Art können in Serie geschaltet werden.
Sobald bei zunehmender Spannung ein Element zündet, vergrössert sich die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an den übrigen, so dass alle Elemente durchschalten. Da die Betriebsdaten dann nur von dem aus mehreren Elementen bestehenden Modul erfüllt werden müssen, sind für die Einzelelemente grössere Toleranzen zulässig.
Im folgenden wird beispielsweise die Herstellung eines Moduls beschrieben, der einen Thyristor mit einer Spannungsfestigkeit von 3,2 kV schützen soll vor Spannungsanstiegen, die schneller sind als 600 V/jiis. Für diese Anforderungen ist ein Modul, bestehend aus drei Schutzelementen vorgesehen. Dann muss das einzelne Element in Vorwärtsrichtung 1,2 kV sperren können und bei einem dU von 200 V/ns einschalten.
dt Da die Herstellung der Schutzelemente möglichst billig ist, wird auf eine optimierte Randanschrägung verzichtet. Damit aber die Elemente trotzdem eine genügend hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, wurde die Dotierungskonzentration in der N-Zone 3 relativ niedrig gewählt, so dass die Feldstärke überall am PN-Uebergang J2 und damit auch an der Oberfläche klein bleibt, wenn die maximale Spannung von 1,2 kV angelegt wird. Erfahrungsgemäs dürfen an der Oberfläche Feldstärken bis zu 1,3 ~ 105 V/cm auftreten. Damit dieser Wert bei 1>2 kV nicht überschritten wird, muss die Durchbruchspannung im Inneren des Bauelementes etwa 3 kV betragen. Daraus folgt in der N-Zone 3 eine Dotierungskonzentration von:N# = 5 ~ 1013 D cm 3 (- 100 cm). Damit andererseits bei einer Spannung von 1,2 kV Zündung durch einen Punch-Through-Effekt sicher vermieden wird, wird die Dicke der N-Zone etwa 350 µm dick gewählt.
Für die P-Zone 2 und die P -Zone 4 wird ein übliches Akzeptorprofil eindiffundiert, wobei die Eindringtiefe etwa 70 und die Oberflächenkonzentration etwa 1017 -cm 3 beträgt.
Anschliessend wird auf der ganzen Anodenseite und an dem später zu kontaktierenden Bereich 5 der P-Zone 2 ein etwa 20 t m tiefes Borprofil eindiffundiert, das eine Oberflächenkonzentration von mehr als 1020cm-3 aufweist.
Anschliessend wird die N -Zone 1 durch Eindiffusion von Phosphorstörstellen hergestellt. Für die lateralen Widerstände in der P-Zone 2 ergibt sich damit unter der N + -Zone 1 ein RK von 230 Q und zwischen der N -Zone und der Gate-Zone ein RS von 100 Q.
Bei einer Spannung von 30 V beträgt die Kapazität des Ueberganges J2: so dass sich bei einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 200 V/ps eine Stromdichte von j = 8 ~ 10 A/cm2 ergibt.
Berücksichtigt man, dass das Auftreten einer Potentialdifferenz von etwa o,6v in Durchlassrichtung an einem Punkt des PN-Ueberganges J1 eine gute Näherung für die Zündbedingung des Thyristors darstellt (vgl. z.B. J. Burtscher, E. Spenke: Siemens Forschungs und Entwicklungs Bericht, Bd. 3 .(1974); S. 235), so können mit RA = 0, 1K und 15 so gewählt werden, dass Gleichung (1) erfüllt ist: Zum Beispiel wird 1K =2,0 mm und 1S = 2,4 mm gewählt.
Es ergeben sich dann beispielsweise rechteckige Bauelemente, die die etwa 6 x 1,5 mm gross sind. Die Draufsicht auf ein solches Element ist in Fig. 3 dargestellt.
Bei der Herstellung werden die kathodenseitigen P + -und N + -Zonen in eine Siliziumscheibe in Streifen eindiffundiert und Aetzgräben zur Aufnahme einer Passivierungsschicht und zur Zerteilung in Einzelelemente vorgesehen. Damit ergeben sich nach der Zerteilung viele gleichartige Schutzelemente (Fig. 4).
In Fig. 5 ist ein einzelnes Schutzelement mit angelöteten Elektroden dargestellt. Ä bezeichnet den Anodenkontakt und K' den Kontakt der gleichzeitig die Kathode K und das Gate G kurzschliesst.
In Fig. 6 ist beispielsweise die Verwendung des neuen Bauelementes in einer elektrischen Schaltung dargestellt. Parallel zu den Thyristoren 11 und 12 liegt jeweils ein RC Glied, 13 bzw. 14, durch das die periodisch auftretenden Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten begrenzt werden. Ueberschreitet das dU/dt jedoch zufällig einmal diesen Wert, so schaltet das Schutzelement 15 bzw. 16 durch und gibt einen Stromimpuls auf das Gate des Thyristors, so dass er normal gezündet wird.

Claims

Patentansprüche chutzvorrichtung für steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente gegen zu hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten dU/dt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung aus mindestens einem, zwischen einer Hauptelektrode, insbesondere der Anode, und der Steuerelektrode des zu schützenden Bauelementes angeordneten Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen (1, 2, 3, 4) abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, von denen die erste und die vierte Zone, die Emitter (1, 4), jeweils mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (K, A) kontaktiert sind, und die zweite Zone, die Basiszone (2), einen Bereich (5) erhöhter Dotierungskonzentration aufweist, welcher mit einer dritten Elektrode (G) kontaktiert ist, und dass zwischen der ersten Elektrode (K) des ersten Emitters (1) und der dritten Elektrode (G) eine ohmische Verbindung (9) vorgesehen ist.
2. Verfahren zur Herstellung der Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dU/dt, bei der die Schutzvorrichtung zündet, durch die Wahl der Breite 1K des ersten Emitters (1), des Abstands 1S zwischen dem ersten Emitter (1) und dem Bereich (5) erhöhter Dotierungskonzentration, und des Wertes RA des ohmschen Widerstandes der Verbindung (9) zwischen der ersten Elektrode (K) und der dritten Elektrode (G) so eingestellt wird, dass sie unterhalb des dU/dt-Wertes liegt, bei dem das zu schützende Bauelement zünden würde.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Breite 1K und der Abstand 1S so gewählt werden, dass die Schutzvorrichtung bei einem dU/dt-Wert zündet der grösser ist als der kritische dU/dt-Wert des zu schützenden Bauelementes, und dass dann durch Veränderung des Wertes des ohmschen Widerstandes der Verbindung (9) zwischen erster und dritter Elektrode die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Schutzvorrichtung auf den durch das zu schützende Bauelement vorgegebenen dU/dt-Wert eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des ohmschen Widerstandes der Verbindung (9) zwischen erster und dritter Elektrode sehr klein gewählt wird (RA.O), und dass die genaue Einstellung des dU/dt-Wertes durch Vergrösserung des Schichtwiderstandes RS der Basiszone (2) eingestellt wird.
5 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrösserung des Schichtwiderstandes RS mit Hilfe einer Grabenätzung erfolgt.