DE2604480C3 - Thyristor - Google Patents
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Description
Aus der DE-OS 21 40 993 ist bereits ein Thyristor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen w
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 m> 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
^Y der Kürze wegen bezeichnet) hoch ist das heißt daß
der j- -Wert also verbessert wird, und daß das
Bauelement möglichst 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 dsn leitenden Zustand übergeht
wenn der j--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 -τ-"-Wert der Spannung in Vorwärtsrichtung
ansteigt. Andererseits fließt der Rückwärtsstrom, der etwa proportional der Spannung in
Vorwärtsrichtung 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 Rückwärisstrom 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 Leiiendwerden 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 τ"-Wert hoch ist. Um die T'-Werte und
cn d;
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 Wurzireschlnssenem 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 Haupielektrode
reichen (vgL DE-OS 23 29 872). Diese Anordnung
verbessert tatsächlich auch die
-r--Wirte und die
Temperatureigenschaften des Thyristors beträchtlich, es treten jedoch weiterhin folgende Nachteile auf. Um
die -p -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 anfangliche 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 ά" -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-Thyristortei! 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
jy-Werte und eine höhere Temperaturbeständigkeit
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt eo
F i g. 1 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 einen Querschnitt entlang der in F i g. 1 eingezeichneten Schnittlinie 11-11,
Fig. 3 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer κ,
zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 einen Querschnitt entlang dtr in F i g. 3 eingezeichneten Schnittlinie IV-IV,
F i g. 5 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 6 einen Querschnitt entlang der in F i g. 5 eingezeichneten Schnittlinie VI-VI,
F i g. 7 in Aufsicht einen Thyristor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 8 einen Querschnitt entlang der in F i g. 7 eingezeichneten Schnittlinie XII-XII.
In den eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigenden F i g. 1 und 2 ist ein Thyristor mit einem
Halbleitersubstrat^ mit vier Schichten Pe, Nb, Pb und Ne
mit abwechselnden p- und n-Leitfähigkeitstyp dargestellt. Das Substrat I^ besitzt zwei Hauptoberflächen 11
und 12, die parallel zueinander und einander gegenüber angeordnet siH. Die Schicht Pe ist eine Emitterschicht
vom p-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »/VSchicht«
bezeichne^. Die Schicht NB ist eine Basisschicht vom
n-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »Ne-Schicht« bezeichnet),
die mit der /^Schicht einen ersten PN-Übergang Ji bildet. Die Schicht PB ist eine Basisschicht vom
p-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »Pß-Schicht« bezeichnet), die an die Λ/β-Schicht angrenzt und mit dieser
einen zweiten PN-Übergang /2 bildet. Die Schicht Λ/ε ist
eine Emitterschicht vom n-Leitfähigkeitstyp (nachfolgend als »Λ/pSchicht« bezeichnet), die in der Oberfläche
der Pe-Schicht ausgebildet ist und deren Oberfläche zur
Hauptoberfläche hin frei liegt und mit der Ps-Schicht
einem dritten PN-Übergang/3 bildet.
Die frei liegende Oberfläche der PpSchicht dient als
eine Hauptoberfläche 11, und die frei liegende Oberfläche der NcSchicht, sowie die /VSchicht bildet
die andere Hauptoberfläche 12. Eine Hilfszone Λ/ο besteht aus einer η-leitenden Schicht, die in der
Ps-Schicht ausgebildet ist und zur Hauptoberfläche 12 hin frei liegt, von der Λ/pSchicht durch die Ps-Schicht
isoliert ist und einen kleineren Bereich als die NpSchicht einnimmt. Eine erste Hauptelektrode 2 steht
mit der PpSchicht an der ersten Hauptoberfläche 11,
und eine zweite Hauptelektrode 3 steht mit der Λ/pSchicht und dem Teil der Pß-Schicht, die die
Λ/pSchicht auf der zweiten Hauptoberfläche 12 umgibt,
in niederohmigem Kontakt. Eine Hilfselektrode 4 steht mit den Oberflächen der Hilfszone /V0 und der
Pß-Schicht, die von der Λ/pSchicht isoliert ist, in
Kontakt. Die Hilfselektrode 4 erstreckt sich über den Außenbereich der /v>Schicht, 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 Pß-Schicht zwischen der /VpSchicht und der Hilfszone Λ/ο
angeordnet und besitzt einen ersten, der Hilfszone Λ/ο 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
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 No- Weiterhin ist auch der elektrische
Widerstand zwischen den Außenbereichen der Endbereiche 41 und der vorstehenden Bereiche 31 kleiner als
der elektrische Widerstand zwischen dem anderen Bereich der Hilfselektrode 4 und der Λ/ρ Schicht.
Nachfolgend soll die Arbeits- und Funktionsweise des derart aufgebauten Thyristors beschrieher. werden.
Wenn zwischen die Hauptelektroden eine Spannung in Vorwärtsrichturig angelegt wird, wobei die erste
Hauptelektrode 2 bezüglich der zweiten Hauptelektrode 3 eine Dositive Spannung aufweist, wird der zweite
PN-Übergang Ji in Sperrichtung vorgespannt, so daß
ein Verschiebungsstrom und ein Rückwärtssirom
auftritt. Die Verschiebungs- und Kückwärtsströme
fließen durch den (nicht dargestellten) kurzgeschlossenen Emitterweg auf die zweite Hauptelektrode 3 in dem
mittleren Hu eich des Substrats 1 gerade unter der A'rSchient, wogegen im Außenbereich oder in der
Nahe des Außenbercichs des Substrats I. wo die Oberfläche der Pb-Schicht 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, wo die Oberfläche der /VSchicht mit der Hilfselektrode
4 in Kontakt steht, fließen diese Ströme über die Hilfselektrode 4 und den Bereich der Pe-Schicht
zwischen den Endbereichen 41 der Hilfselektrode 4 und den vorstehenden Bereichen 31 der Hauptelektrode 3 in
die zweite Hauptelektrode 3. Im Bereich des Substrats I^
oder in der Nähe des Bereichs des Substrats t wo die Ooerfläche der Pe-Schicht in Kontakt mit der
Steuer-Elektrode 5 steht, fließen diese Ströme über die S'euer-Elektrode 5, deren zweite Bereiche 52, die
Pe-Schicht, die Hilfselektrode 4, die Endbereiche 41 der Elektrode 4 und die Pb-Schicht zur Hauptelektrode 3.
Daher können die Verschiebungs- und Rückwärtsströme den dritten PN-Übergang Ji nicht in Vorwärtsrichtung
vorspannen, so daß d; 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 Pe-Schicht, die Hilfselektrode 4, deren Endbereiche 41 und die
Pe-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 Ps-Schicht zwischen
den zweiten Bereichen 52 der Steuer-Elektrode 5 und der Hilfselektrode 4 an. Wenn der Spannungsabfall die
Diffusionsspannung des PN-Übergangs /o zwischen der Hilfszone No und der Ps-Schicht übersteigt, fließt der
Steuer-Strom über den PN-Übergang Ja in die Hilfszone
No- Daher wirkt der Steuer-Strom zunächst auf den Vierschichten-Bereich, dessen äußerste Schicht die
Hilfszone TV0 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 N^Schicht fließt Dadurch, daß der Strom in die Nf-Schicht fließt,
wird der weitere Vierschichtenbereich mit der Ne-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 J0, so daß etwas
von dem Steuer-Strom nutzlos verlorengeht, der Wert
j^ und die Temperaturaufnahme bzw. -eigenschaften
können jedoch verbessert werden.
Mit dem in den F i g. 1 und 2 dargestellte:* Aufbau des
Thyristor; können, wie zuvor beschrieben, mit einem
kleinen Steuer-Strom ein großer Wert für j( und hohe
■> Temperatur-Belastungen sowie ein breiter Kinschaltberrich
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
iti der Steuer-Elektrode 5 auf der Oberfläche der
Pfl-Schicht gegenüber der Hilfselektrode 4 angeordnet
sind, läßt sich der elektrische Widerstand zwischen den beiden F.lektroden 4 und 5 leichter und genauer
einstellen (d. h., die Reproduzierbarkeit wird verbes- > 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 j( 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
j) 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
ίο 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.
j5 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 Nn ausgebildet
sind.
In den F i g. 5 und 6 ist eine dritte Ausführungsform eines Thyristors dargestellt wobei sich diese Ausführungsform
von der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß ein Vorsprung 43 an der
Hilfselektrode 4 sich in der Mitte der Hilfszone No über diese hinweg zur Steuer-Elektrode 5 hin erstreckt. Die
zweite und dritte Ausführungsform kann dieselben Wirkungen und Vorteile wie die erste Ausführungsform
so 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 N0 nicht
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-
rungsform gegenüber der ersten Ausführungsform liegt darin, daß die Steuerelektrode von der Afe-Schicht
umgeben ist
Schließlich sollen zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung noch zahlenmäßige Angaben gemacht
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 ' 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
Hnlbleiterübergang betrug. Der kleinste Zündstrom betrug beim Thyristor der Fig. 1 und 2 3OmA und beim
herkömmlichen Thyrislor 15 mA.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
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 koutaktierte 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 (No) 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 (N0) 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) J5
über die Hilfszone (N0) 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.
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