DE2604480B2

DE2604480B2 - Thyristor

Info

Publication number: DE2604480B2
Application number: DE2604480A
Authority: DE
Inventors: Shin Hitachi Kimura; Yoshio Katsuta Terasawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-02-07
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1978-04-13
Also published as: JPS5927108B2; SE414436B; US4114178A; DE2604480C3; JPS5190580A; DE2604480A1; SE7601319L

Description

Aus der DE-OS 21 40 993 ist bereits ein Thyristor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art bekannt. Dabei bilden die zweite Hauptelektrode und die Hilfselektrode, jeweils zusammen mit der ersten Hauptelektrode einen Haupt-Thyristorteil und einen Hilfs-Thyristorteil, wobei der Zündsignalstrom von der Steuerelektrode den Hilfs-Thyristorteil und dessen Einschaltstrom als Steuerstrom wiederum den Haupt-Thyristorteil einschaltet.

Ein Einschalten des Thyristors tritt unabhängig davon, ob eine Zündsignalspannung anliegt, auch dann auf, wenn die zwischen den beiden Elektroden anliegende Spannung höher als die höchste Sperrspannung des Bauelementes ist oder wenn die Geschwindigkeit, mit der die Spannung ansteigt, groß genug ist, obgleich die Spannung selbst kleiner ist als die höchste Sperrspannung, oder wenn der Temperaturanstieg des Bauelementes hoch ist. Wenn ein Thyristor in den leitenden Zustand versetzt wird, bevor das Zündsignal angelegt wird, während die zwischen den Hauptelektroden anliegende Spannung kleiner als die höchste Sperrspannung des Bauelementes ist, kann das Bauelement nicht bei Inverterschaltungen, Zerhackern oder anderen elektrischen Schaltungen eingesetzt werden. Daher besteht für einen Thyristor die wichtige Forderung, daß er möglichst selten von selbst in den leitenden Zustand übergeht, auch dann, wenn die Geschwindigkeit, mit der die Spannung zwischen den beiden Hauptelektroden ansteigt (nachfolgend mit

der Kürze wegen bezeichnet) hoch ist, das heißt, daß also verbessert wird, und daß das

der , -Wert

Bauelement mögiichst selten von sich aus in den leitenden Zustand übergeht, auch dann, wenn am Bauelement hohe Temperaturen auftreten. Nachfolgend soll erläutert werden, wie der Thyristor vor Anlegen der Zündsignalspannung in den leitenden Zustand übergeht, wenn der _d'_; - Wert oder die Temperatur hoch ist.

Wenn die am Thyristor anliegende Spannung in Vorwärtsrichtung erhöht wird, verbreitert sich die Verarmungsschicht auf beiden Seiten des mittleren PN-Übergangs, der in Sperrichtung vorgespannt werden soll. Daher fließt ein Verschiebungsstrom, der in

Abhängigkeit vom . -Wert der Spannung in Vorwärtsrichtung ansteigt. Andererseits fließt der Rückwärtsstrom, der etwa proportional der Spannung in Vorwärisrichtung ist, über den mittleren Übergang. Auf Grund der kombinierten Wirkung von Verschiebungsstrom und Rückwärtsstrom werden die PN-Übergänge zwischen den mittleren Schichten und den benachbarten äußeren Schichten (nachfolgend als Emitterübergänge bezeichnet) in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so daß Ladungsträger von den äußeren Schichten in die mittleren Schichten gelangen. In der Nähe des Umfanges jedes Emitterüberganges, wo sich der Verschiebungs- und der Rückwärtsstrom konzentrieren, werden die Emitterübergänge in hohem Maße in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Verschiebungsund Rückwärtsstrom wird im mittleren Übergang erzeugt, der nicht über dem Emitterübergang liegt, wenn die Schichten in einem Querschnitt senkrecht zu den Schichten betrachtet werden. Auf Grund der durch die Konzentration des Verschiebungs- und Rückwärtsstroms stark in Vorwärtsrichtung vorgespannten Emitterübergänge kommt es vor, daß am oder in der Nähe des Umfangs des Emitterübergangs ungewollt ein Einschalten oder ein Leitendwerden stattfindet, wenn der ^ -Wert hoch ist. Wenn der Thyristor eine hohe

Temperatur aufweist, steigt die Konzentration bzw. die Zahl der durch thermische Anregung in der Verarmungsschicht des mittleren Übergangs erzeugten Ladungsträger an, so daß sich auf Grund dieser Ladungsträger der Rückwärtsstrom im mittleren Übergang ansteigt. Daher schaltet sich der Thyristor ungewollt selbständig ein, wenn" die Temperatur des Bauelementes hoch ist, und zwar in derselben Weise,

wie wenn der

' -Wert hoch ist. Um die ,'-Werte und

die Temperatureigenschaften zu verbessern, ist es daher erforderlich, zu verhindern, daß die Emitterübergänge durch den Verschiebungs- und Rückwärtsstrom in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden.

Um dies zu erreichen, wurde bereits eine Anordnung mit kurzgeschlossenem Emitter vorgeschlagen, bei der

entweder die zugehörige Hauptelektrode in die benachbarte äußerste Schicht bis zur Zwischenschicht eindringt oder Bereiche der Zwischenschicht durch die benachbarte äußerste Schicht bis zur Hauptelektrode reichen (vgl. DE-OS 23 29 872). Diese Anordnung verbessert tatsächlich auch die ' -Werte und die

Temperatureigenschaften des Thyristors beträchtlich, es treten jedoch weiterhin folgende Nachteile auf. Um

die . -Werte zu verbessern, muß die Zahl der

Emitterkurzschlüsse im Bereich der äußersten Schicht, die der Steuer-Elektrode gegenüberliegt, groß sein. Andererseits sind die wichtigsten Charakteristika von Thyristoren der anfängliche Einschaltbereich und die Ausbreitung und Vergrößerung des leitenden Bereichs am Anfang des Einschaltvorganges. Der Einschaltbereich sollte so groß wie möglich und die Geschwindigkeit, mit der sich der leitende Bereich ausbreitet und vergrößert, sollte so hoch wie möglich sein, um den Thyristor möglichst schnell in den leitenden Zustand zu versetzen, damit der Thyristor beim Schaltvorgang eine hohe Leistung aushalten kann. Um diese Erfordernisse zu befriedigen, muß die Zahl der Emitterkurzschlüsse im Bereich der äußersten Schicht, die der Steuer-Elektrode gegenüberliegt, möglichst klein oder vorzugsweise Null sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor zu schaffen, der einen großen Einschaltbereich bei kleinem Zündsignalstrom sowie

hohe , -Werte aufweist und hohe Temperaturbelastungen aushält.

Diese Aufgabe wird durch Thyristoren gelöst, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Thyristors sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Durch die Anordnung der Steuerelektrode zwischen der zweiten Hauptelektrode und der Hilfselektrode, und damit zwischen dem Haupt- und dem Hilfs-Thyristorteil wird es möglich, beide Teile im wesentlichen gleichzeitig bei Zufuhr des Zündsignalstroms einzuschalten, wodurch sich ein großer anfänglicher Einschaltbereich ergibt. Hierdurch wiederum kommt der Thyristor mit einem kleinen Zündsignalstrom aus. Durch die Annäherung der Gateelektrode an die Hilfselektrode in einem Teil des Bereiches, in dem sie einander gegenüberliegend angeordnet sind, fließen von der Steuerelektrode in die hieran angrenzende Hilfselektrode und danach in die Hauptelektrode ein Verschiebungs- und ein Leckstrom, so daß die beiden Ströme nicht über den Emitterübergang im Hilfs-Thyristorteil fließen. Hierdurch wird die Stromdichte am Emitterübergang im Hauptthyristorteil gering, so daß der Thyristor höhere

j₍ -Werte und eine höhere Temperaturbeständigkeit

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie 11-11,

Fig. 3 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 einen Querschnitt entlang der in Fig.3 eingezeichneten Schnittlinie IV-IV,

F i g. 5 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.6 einen Querschnitt entlang der in Fig.5 eingezeichneten Schnittlinie VI-VI,

-> Fig.7 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.8 einen Querschnitt entlang der in Fig. 7 eingezeichneten Schnittlinie XlI-XII.

In den eine erste Ausführungsform der Erfindung

in zeigenden Fig. 1 und 2 ist ein Thyristor mit einem Halbleitersubstrat^ mit vier Schichten Pe Nb, Pe und Ne mit abwechselnden p- und n-Leitfähigkeitstyp dargestellt. Das Substrat _1 besitzt zwei Hauptoberflächen 11 und 12, die parallel zueinander und einander gegenüber

ι ^ri angeordnet sind. Die Schicht Pe ist eine Emitterschicht vom p-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »P^Schicht« bezeichnet). Die Schicht Nb ist eine Basisschicht vom n-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »VVe-Schicht« bezeichnet), die mit der Pe-Schicht einen ersten PN-Über-

·>" gang /ι bildet. Die Schicht Pb ist eine Basisschicht vom p-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »/VSchicht« bezeichnet), die an die Ne-Schicht angrenzt und mit dieser einen zweiten PN-Übergang /2 bildet. Die Schicht Neist eine Emitterschicht vom n-Leitfähigkeitstyp (nachfol-

2^r) gend als »Ne-Schicht« bezeichnet), die in der Oberfläche der /VSchicht ausgebildet ist und deren Oberfläche zur Hauptoberfläche hin frei liegt und mit der /VSchicht

einem dritten PN-Übergang/3 bildet.

Die frei liegende Oberfläche der Pf-Schicht dient als

so eine Hauptoberfläche 11, und die frei liegende Oberfläche der AtSchicht, sowie die /VSchicht bildet die andere Hauptoberfläche 12. Eine Hilfszone /Vo besteht aus einer η-leitenden Schicht, die in der /VSchicht ausgebildet ist und zur Hauptoberfläche 12

r> hin frei liegt, von der Ne-Schicht durch die /VSchicht isoliert ist und einen kleineren Bereich als die /V^Schicht einnimmt. Eine erste Hauptelektrode 2 steht mit der P/E-Schicht an der ersten Hauptoberfläche 11, und eine zweite Hauptelektrode 3 steht mit der /Vt-Schicht und dem Teil der /VSchicht. die die A/i-Schicht auf der zweiten Hauptoberfläche 12 umgibt, in niederohmigem Kontakt. Eine Hilfselektrode 4 steht mit den Oberflächen der Hilfszone /Vo und der /VSchicht, die von der /VpSchicht isoliert ist, in

4") Kontakt. Die Hilfselektrode 4 erstreckt sich über den Außenbereich der /VfSchicht, und die Endbereiche 41 der Hilfselektrode 4 werden durch die vorspringenden Bereiche 31 der zweiten Hauptelektrode 3 umfaßt.

Eine Steuer-Elektrode 5 ist auf der /VSchicht

>o zwischen der AVSchicht und der Hilfszone /V₀ angeordnet und besitzt einen ersten, der Hilfszone /Vo gegenüberliegenden Bereich 51 und an den Enden des ersten Bereichs 51 in einem Stück ausgebildete zweite Bereiche 52, die zur Hilfselektrode 4 hin abstehen. Der

v") elektrische Widerstand zwischen den zweiten Bereichen 52 und der Hilfselektrode 4 ist kleiner als der elektrische Widerstand zwischen dem ersten Bereich 51 und der Hilfszone /Vo. Weiterhin ist auch der elektrische Widerstand zwischen den Außenbereichen der Endbe-

Mi reiche 41 und der vorstehenden Bereiche 31 kleiner als der elektrische Widerstand zwischen dem anderen Bereich der Hilfselektrode 4 und der /VpSchicht.

Nachfolgend soll die Aibeits- und Funktionsweise des derart aufgebauten Thyristors beschrieben werden.

h¹) Wenn zwischen die Hauptelektroden eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird, wobei die erste Hauptelektrode 2 bezüglich der zweiten Hauptelektrode 3 eine Dositive Süannunc aufweist, wird der zweite

PN-Übergang /2 in Sperrichtung vorgespannt, so daß ein Verschiebungsstrom und ein Rückwärtsstrom auftritt. Die Verschiebungs- und Rückwärtsströme fließen durch den (nicht dargestellten) kurzgeschlossenen Emitterweg auf die zweite Hauptelektrode 3 in dem mittleren Bereich des Substrats 1 gerade unter der /Vf-Schicht, wogegen im Außenbereich oder in der Nähe des Außenbereichs des Substrats 1, wo die Oberfläche der /VSchicht mit der zweiten Hauptelektrode 3 in Kontakt steht, diese Ströme direkt zur zweiten Hauptelektrode 3 fließen. Im Bereich des Substrats I^ oder in der Nähe des Bereichs des Substrats t, v/o die Oberfläche der P^-Schicht mit der Hilfselektrode 4 in Kontakt steht, fließen diese Ströme über die Hilfselektrode 4 und den Bereich der /VSchicht zwischen den Endbereichen 41 der Hilfselektrode 4 und den vorstehenden Bereichen 31 der Hauptelektrode 3 in die zweite Hauptelektrode 3. Im Bereich des Substrats ± oder in der Nähe des Bereichs des Substrats i, wo die Oberfläche der /VSchicht in Kontakt mit der Steuer-Elektrode 5 steht, fließen diese Ströme über die Steuer-Elektrode 5, deren zweite Bereiche 52, die /VSchicht, die Hilfselektrode 4, die Endbereiche 41 der Elektrode 4 und die /VSchicht zur Hauptelektrode 3. Daher können die Verschiebungs- und Rückwärtsströme den dritten PN-Übergang Jz nicht in Vorwärtsrichtung vorspannen, so daß _df und die Temperatureigenschaften verbessert werden können.

Es sei nun angenommen, daß eine Steuersignalspannung angelegt wird, derart, daß die Steuer-Elektrode 5 gegenüber der zweiten Hauptelektrode 3 positiv ist, wobei die erste Hauptelektrode 2 bezüglich der zweiten Hauptelektrode 3 positiv ist. Bei Anlegen der Steuersignalspannung zwischen die Elektroden 5 und 3 fließt zunächst ein Steuerstrom in die zweite Hauptelektrode, der an den zweiten Bereichen 52 der Steuer-Elektrode 5 zu fließen beginnt und dann durch die /VSchicht, die Hilfselektrode 4, deren Endbereiche 41 und die Pb-Schicht fließt. Dieser Steuer-Strom trägt in keinem Falle dazu bei, den Thyristor einzuschalten. Wenn ein solcher Steuer-Strom ansteigt, steigt auch der Spannungsabfall über den Bereich der /VSchicht zwischen den zweiten Bereichen 52 der Steuer-Elektrode 5 und der Hilfselektrode 4 an. Wenn der Spannungsabfall die Diffusionsspannung des PN-Übergangs /0 zwischen der Hilfszone N₀ und der /VSchicht übersteigt, fließt der Steuer-Strom über den PN-Übergang J₀ in die Hilfszone Mj. Daher wirkt der Steuer-Strom zunächst auf den Vierschichten-Bereich, dessen äußerste Schicht die Hilfszone No ist. Dieser Vierschichten-Bereich wird vom Steuer-Strom in den leitenden Zustand versetzt, also eingeschaltet, so daß Strom in Vorwärtsrichtung (Einschaltstrom) durch den Vierschichten-Bereich fließt, so daß der Strom in Vorwärtsrichtung durch die Hilfselektrode 4 in den Außenbereich der /V/_:-Schicht fließt. Dadurch, daß der Strom in die A//-Schicht fließt, wird der weitere Vicr.schichtcnbereich mit der Nr Schicht als äußerster Lage, d. h. also der Thyristor selbst, in den leitenden Zustand versetzt, also eingeschaltet.

Bei dieser Art des Vorgangs, mit dem der Thyristor in den leitenden Zustand versetzt wird, fließt zunächst kein Steuer-Strom durch den PN-Übergang /0, so daß etwas von dem Steuer-Strom nutzlos verlorengeht, der Wert

_(|/ und die Temperaturaufnahme bzw. -eigenschaften können jedoch verbessert werden.

Mit dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Aufbau des Thyristors können, wie zuvor beschrieben, mit einem

kleinen Steuer-Strom ein großer Wert für j₍ und hohe

> Temperatur-Belastungen sowie ein breiter Einschaltbereich erreicht werden. Darüber hinaus weist der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Thyristor, der eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die folgenden Vorteile auf. Da die zweiten Bereiche 52 der Steuer-Elektrode 5 auf der Oberfläche der /VSchicht gegenüber der Hilfselektrode 4 angeordnet sind, läßt sich der elektrische Widerstand zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 leichter und genauer einstellen (d. h., die Reproduzierbarkeit wird verbes-

n sert). Dadurch, daß die Abweichung oder die Streuung des Widerstandes klein ist, ergibt sich, daß die Thyristoren etwa denselben kleinsten Zündstrom

aufweisen, und es kann etwa der gleiche Wert _t)( und die gleiche Temperaturbelastung für die einzelnen Thyristoren mit hoher Reproduzierbarkeit auf einfache Weise erhalten werden.

Heutzutage werden die Schaltungen, beispielsweise Umsetzer für die Gleichstrom-Energieübertragung, bei

ri denen eine Vielzahl von Thyristoren in Serien-Parallelschaltung verwendet wird, immer größer, und in jeder dieser Schaltungen ist es erforderlich, die auf die jeweiligen Schaltungsbauteile aufgeteilten Spannungen und Ströme gut abzugleichen und abzustimmen, damit

in die einzelnen Bauteile dieselbe Einschaltcharakteristik aufweisen. Die Thyristoren gemäß F i g. 1 und 2 sind für derartige Schaltungen gut geeignet, weil sie eine kleinere Zündspannung als herkömmliche Thyristoren aufweisen.

π In den Fig.3 und 4 ist ein Thyristor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich von der ersten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, daß Vorsprünge 42, die zur Steuer-Elektrode 5 hin zeigen, an Bereichen der Hilfselektrode 4 in der Nähe der Enden der Hilfszone /Vo ausgebildet sind.

In den Fig. 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform eines Thyristors dargestellt, wobei sich diese Ausführungsform von der ersten und zweiten Ausführungsform

α; dadurch unterscheidet, daß ein Vorsprung 43 an der Hilfselektrode 4 sich in der Mitte der Hilfszone /V₀ über diese hinweg zur Steuer-Elektrode 5 hin erstreckt. Die zweite und dritte Ausführungsform kann dieselben Wirkungen und Vorteile wie die erste Ausführungsform

-,(ι aufweisen und auch in derselben, im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Weise abgeändert und modifiziert werden.

Die F i g. 7 und 8 zeigen einen Thyristor gemäß einer vierten Ausführungsform, bei der die Hilfszone /V₀ nicht

r, ringförmig ist. Bei dieser Ausführungsform liegt der Vorsprung 251 der Hilfselektrode 25 in der Nähe der Steuerelektrode 24, wogegen der Vorsprung der zweiten Hauptelektrode 23 in der Nähe der Hilfselektrode 25 liegt. Der Unterschied der vierten Ausfüh-

Mi rungsform gegenüber der ersten Ausführungsform liegt darin, daß die Steuerelektrode von der /VpSchicht umgeben ist.

Schließlich sollen zu den Ausführungsbeispielcn der Erfindung noch zahlenmäßige Angaben gemacht

h, werden. Ein Thyristor, der den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau aufweist und eine Sperrspannung von 4000 V und einen mittleren Nennstrom von 800 A besitzt, wurde mit einem anderen Thyristor verglichen,

der fast denselben Aufbau aufweis, jedoch lediglich die Bereiche, die den zweiten Bereichen 52 der Steuerelektrode 5 entsprechen, nicht besaß. Dabei zeigte sich, daß

der Wert -n beim Thyristor der F i g. 1 und 2

3000 V^sec und beim herkömmlichen Thyristor 1400V^sec bei einer Temperatur von 125° C am Halbleiterübergang betrug. Der kleinste Zündstrom betrug beim Thyristor der F i g. 1 und 2 3OmA und beim herkömmlichen Thyristor 15 mA.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem aus vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufgebauten Halbleiterkörper, wobei ein Teil der einen der beiden Basiszonen an einer ersten Hauptoberfläche frei liegt und in diesen Teil eine Hilfszone mit im Vergleich zur angrenzenden Basiszone entgegengesetztem Leitungstyp eingebettet ist, wobei auf der ersten Hauptoberfläche eine erste Hauptelektrode, eine die Hilfszone teilweise überdeckende Hilfselektrode und eine mit der Basiszone kontaktierte Steuerelektrode und auf der zweiten Hauptoberfläche eine zweite Hauptelektrode ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (5) zwischen der Haupt- (3) und der Hilfselektrode (4) angeordnet ist und daß die Steuer- und die Hilfselektrode an ihren einander gegenüberliegenden Kanten an einer oder mehreren Stellen einander angenähert sind.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuerelektrode (5) längs der Hilfselektrode (4) über die Hilfszone (/V₀) hinaus erstreckt und sich ein Bereich (52) der Steuerelektrode (5) der Hilfselektrode (4) nähert.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuerelektrode (5) längs der Hilfselektrode (4) über die Hilfszone (No) hinaus erstreckt und sich ein Bereich (42) der Hilfselektrode (4) auf dem zur zweiten Hauptfläche freien Teil der zweiten Schicht (Pb) des Substrats seitlich zur Steuerelektrode (5) hin erstreckt.

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Teil (43) der Hilfselektrode (4) über die Hilfszone (No) hinaus zur zweiten Schicht (Pb) erstreckt und sich der Steuerelektrode (5) nähert.

5. Thyristor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptelektrode (3) und die Hilfselektrode (4) in einem Teil des Bereichs, in dem sie nebeneinander angeordnet sind, einander näher liegen als im übrigen Teil des Bereichs.