DE2628792A1

DE2628792A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE2628792A1
Application number: DE19762628792
Authority: DE
Inventors: Patrick De Dipl Ing Bruyne; Roland Dr Sittig
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1976-06-02
Filing date: 1976-06-26
Publication date: 1977-12-15
Also published as: CH594988A5; SE418548B; DE2628792C2; SE7706264L; CA1096511A

Description

Thyristor
Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit mindestens vier Zonen abwect<selnd entegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei welchem die erste und vierte Zone mit den Hauptelektroden kontaktiert sind und als Emitterzonen wirken, die zweite Zone an die erste Zone anschliesst, und die dritte, am niedrigsten dotierte Zone zwischen der zweiten und der vierten Zone angeordllet ist, und bei welchem sowohl die zweite als aucii die dritte Zone mitsamt dem zwischen ihnen gebildeten vorwärts sperrenden PN-Uebergang auf der Seite der ersten Zone an die Oberfliche des Halbleiterkörpers des Thyristors treten, und der an,die Oberfläche tretende Teil des vorwärts sperrenden PN-Uebergangs zwecks Zündung des Thyristors mit Licht beaufschlagbar rist, und bei welchem in der genannten Oberfläche eine besondere hochdotierte Zone des I.eitf'ihigkeitstyps der ersten Zone vorgesehen ist, welche durch einen eicktrischen Kontalt auf der Oberfläche mit der zweiten Zone verbunden ist.
Eiri solcher Thyristor ist bekannt z.B. aus der DT-OS 24 08 079.
Ot)wohl derartige Thyristoren inzwischen mit Erfolg in der Praxis eingesetzt erden, ist eine weitere Optimierung möglich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Thyristor der eingangs genannten Art weiter zu optimieren, insbesondere dahingehend, dass er mit noch kleinerer Lichtleistung gezündet werden kann, ohne dass aber dadurch andere wesentliche Eigenschaften, z.B. die Zündfestigkeit gegenüber einem schnellen Spannungsaustieg du/dt ("kritische Spannungssteilheit"), verschlechtert werden.
Diese aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Thyristor der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss der an die Oberfläche tretende Teil der dritten Zone mindestens teilweise eine geschlossene, die erste Zone nicht umfassende Kurve mit mindestens einer Oeffnung bildet, dass in dieser Oeffnung die besondere hochdotierte Zone angeordnet ist, und dass der elektrische Kontakt die besondere hochdotierte Zone mit dem ausserhalb der geschlossenen Kurve liegenden Teil der zweiten Zone verbindet.
Dadurch wird der durch die Lichtoinstrahlung erzeugte Strom auf eine taber wenige Bereiche konzentrient, und man erhält auch bei niedriger Lichtleistung lokal hohe Stromdichten, die die Zündurlg des Thyristors bewirken können.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt: i?ig. 1 den Schnitt eines Thyristors nach der Erfindung, und Fig. 2 die Draufsicht auf einen Thyristor nach der Erfindung.
Der dargestellte Thyristor weist eine erste Zone 1 auf, die hocll N-(1otiert ist und damit als N-Fmitterzone wirkt. Sie ist mit der Kathode C kontaktiert. Die zweite Zone 2 ist P-dotiert und wäre bei einem konventionell über eine Steuerelektrode zu zündenden Thyristor mit dieser kontaktiert. Sie steht über Emitterkurzschlüsse 13 mit der Kathode C in Kontakt. Die dritte, dotierte Zone 3 weist die niedrigste Dotierung aller Zonen auf und dient insbesondere der Aufnahme der Sperrschicht, die sich in Vorwärtsrichtung am vorwärts sperrenden Uebergang 5, und in Rückwärtsrichtung am rückwärts sperrenden Uebergang 6 ausbildet. Die vierte, P-dotierte Zone 4 weist stirnseitig eir?erl hochdalierten Bereich 4' 1 auf, der mit dtr Anode A kontaktiert ist und als P-Fmitterzone wirkt.
In der Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers des Thyristors ist die hoci N-dotierte Zone 9 vorgesehen, die mit dem hoch P-dotierten Bereich 11 einen P+N+-Ueergang bildet, der durch den elektrischen Kontakt 10 überbrückt ist. Die Zone 9 wirkt damit in bekannter Weise (vgl. z.B. Publication 671.15,3/69 der General Electric Company) als N-Emitter eines l sthyristors, der nach seiner Zündung den Steuerstrom zur Zündung des Hauptthyristors liefert Insoweit entspricht die Struktur des dargestellten Thyristors dem Stand der Technik.
Abweichend vom Stand der Technik und gemäss der Erfindung bildet nun aber der an die Oberfläche 7 des IIalbleiterkörpers des Thyristors tretende Teil der dritten Zone 3 einesteils eine geschlossene Kurve 3' mit einer Oeffnung 8, und anderenteils innerhalb der Kurve 3' gelegene, parallel zueinander verlaufende Streifen 3'' Die N+-dotierte Zone 9 ist in der Oeffnung 8 angeordnet, und bildet mit einem Teil des als geschlossener, die Kurve 3' umschliessender, hoch P-dotierter Ring ausgebildeten Bereichs 11 der Zone 2 den durch den elektrischen Xontakt 10 überbrückten P*N*-Uebergang.
Durch die geschilderte spezielle Struktur der N-Zone 3 an der OberfläcEle 7 wird erreicht, dass der bei Lichteinstrahlung L am oberflächigen, durch die Streifenstruktur optimal langen Teil des PPl-lJeberganges 5 erzeugte Löcherstrom in hoher Konzentration durch die Oeffnung 8 zur Kathode C abfliesst, und über die in der Oeffnung 8 angeordnete, als Emitterzone des Iliifstiiyristors wirkende Zone 9 den Elilfsthyristor zündet der dann seinerseits den auptthyristor zündet. Der P+-Ring 11 bewirkt, dass der durch die Zündung des Hilfsthyristors erzeugte Steuerstrom sofort auf den ganzen Umfang der Hauptemitterzone 1 verteilt und dadurch eine schnelle Zündung des Thyristors über den gesamten Querschnitt erreicht wird.
Es ist nun von grosser Bedeutung, dass die leichtere Zündbarkeit der Thyristorstruktur nach der Erfindung nicht mit einem verminderten Wert etwa der kritischen Spannungssteilheit dU/dt erkauft wird, was an sich-zu befürchten war. Das rührt daher, dass die Kapazität pro Flächeneinheit bei einer Thyristorstruktur nach der Erfindung unerwarteterweise im lichtempfindlichen Bereich deutlich kleiner ist als am-ungestörten PN-Uebergang, und überdies die dU/dt-Empfindlichkeit bei hohen Vorwärts-Sperrspannungen abnimmt. Nur deswegen führt die durch die erfindungsgemässe Struktur erzeugte lokale Stromdichte nicht zu einer dU/dt-Zündung.
Besonders vorteilhaft wird die bisher beschriebene erfindungsgemäss@ Thyristorstruktur dadurch weitergchildet, dass an der Oberfläche 7 des Halbleitorkörpers des Thyristors zwischen den Streifen 3 " korrespondierende P -Streifen 12 vorgesehen sind, welche alle mit einem gleich dotierten, quer zu ihnen verlaufenden und zwischen ihnen und der Zone 9 liegenden Streifen 1S' verbunden sind.
Die zu den N-Streifen 3 " korrespondierenden P -Streifen 12 bewirken eine Erniedrigung des ohmschen Widerstandes für den an dem oberflächigen PN-Uebergang 5 erzeugten Löcherstrom und leiten diesen zum quer verlaufenden P -Streifen 12', der dann - gewissermassen als Sammclschiene - in voller Ausdchnung auf den gegenüberliegenden Teil der Zone 9 des zu zündenden Ililfsthyristors einwirkt.
Die Kurve 3' kann grundsätzlic@ auch mehr als nur eine Oeffnung mit jeweils darin angeordneter Zone 9 aufweisen, jedoch ist eine Oeffnung wegen der dadurch möglichen besonders hohen Löcherkonzentration besonders zweclcmtissig. zinke kreisförmige Ausbildung der Kurve 3' und des Ringes 11, und eine zentrale Anordnung dieser Konfiguration in einer kreisförmigen Aussparung der Kathode C ist vorteilhaft, weil damit der Thyristor einfacher dimensionierbar wird. Die Verbreiterung der Zone 9 ins Innere der Kurve 3' hinein, und die entsprechend breite Ausbildung und gegenüberliegende Anordnung des quer verlaufenden N-Streirens 12' ergeben eine besonders intensive Wechnselwirkung dieser zwei Teile miteinander.
Die Herstellung eines Elementes nach der Erfindung ist unproblematisch. Beispielsweise können in einem N-dotierten Silizium-Snbstrat des spezifischen Widerstandes 200 Ohm-cm und der Dicke 800 um in einem ersten Diffusionsprozess die beispielsweise 90 1im tiefen Zonen 2 und 4 erzeugt werden, wobei die Bereiche der Streifen 3'' und der Kurve 3', der Zone 9 und der Zone 1 durch eine Diffusionsmaske gegen Eindiffusion geschützt sind. Danach werden unter fortdauernder Abdeckung der genannten Bereiche und zusätzlich des Oberflächenbereichs der Zone 2 die Bereiche 11 und 4' erzeugt.
Schliesslich erden mit der entsprechenden Maske noch die t Zonen 1 und 9 diffundiert. Die P + -Bereiche 4' und 11 und die N + -Zonen 1 und 9 haben beispielsweise eie Eindringtiefe von 15 µm. Die Breite der Streifen 311 beträgt beispielsweise 50/im, der l)urchmesser der kreisförmigen Kurve 3' beispielsweise ß mm, der des Ringes 11 beispielsweise LI mm, die Breite der Oeffnung 8 beispielsweise 1 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Aussparurig, in der Fmitterzone 1 beispielsweise 5,5 mm.
Der Dunehmesser des gesamten Thyristors beträgt beispielsweise 14 mm. Die Emitterkurzschlüsse 13 weisen voneinander beispielsweise einen mittleren Abstand von 1 - 2 mm auf und sind in bekannter Weise über die ganze Kathode C verteilt.
Ein derart dimensioniertes Element sperrt Spannungen von spielsweise ij,5 kV, und kann beispielsweise bei 1 kV Vorwärtssperrspannung mittels einer GaAs-Leuchtdiode (950 nm) durch eine Lichtlelstung von 5 mW gezündet werden. Die kritische Spannungasteilheit dU/dt bei Zimmertemperatur ist besser als 3000 V/ µsec (gemessen nach DIN 41 787).
Die besonderen Vorteile eines Thyristors nach der Erfindung liegen nicht nur in der geringeren für die ndung benötigten Lichtleistung, sondern auch darin, dass die Quantenausbeute über einen Spektralbereich von etwa 540 nm - 1000 nm nahezu 1 ist, so dass eine Vielzahl von Lichtquellen verwendbar ist.
Die zur Zündung benötigte Lichtleistung ist weitgehend unabhängig von der jeweiligen Sperrspannung, bei welcher gezündet wird. Eine gute du/dt-Festigkeit ist gewährleistet, und überdies ist der Thyristor auch in grossem Masse geschützt gegen Schäden durch. Uebenspannungen, also überkopfzündfest11: Denn die Krümmung des vorwärts sperrenden PN-Ueberganges 5 im lichtempfindlichen Bereich bewirkt dort eine Reduktion der Lawinendurchbruchsspannung, so dass bei Ueberspannungen der Thyristor von diesem Bereich aus über sein ganzes Volumen gezündet wird und deshalb keinen Schaden nehmen kann.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ii c h e 1. Thyristor, mit mindestens vier Zonen abwechsclnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei welchem die erste und vierte Zone mit den Hauptelektroden kontaktiert sind und als Emitterzonen wirken, (ìie zweite Zone an die erste Zone anschliesst, und die dritte, am niedrigsten dotierte Zone zwischen der zweiten und der vierten Zone angeordnet ist, und bei welchem sowohl die zweite als auch die dritte Zone mitsamt dem zwischem ihnen gebildeten vorwärts sperrenden PN-Uchergang auf der Seite der ersten Zone ari die Oberfläche des Halbleiterkörpers des Thyristors treten, und der an die Oberfläche tretende Teil des vorwärts sperrenden PN-Uebergangs zwecks Ziindunir des Thyristors mit Licht beaufschlagbar ist, und bei welchem in der genannten Oberfläche eine besondere hochdotlerte zone des Leitfähigkeitstyps der ersten Zone vorgesehen ist, welche durch einen elektrischen Kontakt auf der oberfläche mit der zweiten Zone verbunden ist, dadurch gekennzeictlrlet, dass der an die Oberfläche (7) tretende Teil der dritten Zone (3) mindestens teilweise eine geschlossene, die erste Zone (1) nicht umfassende Kurve (3') mit mindestens einer Oeffnung (8) bildet, dass in dieser Oeffnung (8) die besondere hoch(lotierte Zone (9) angeordnet ist, und dass der elektrische Kontakt (10) die besondere hochdotierte Zone (9) mit dem ctusserhalb der geschlossenen Kurve (5') liegenden Teil der zweiten Zone (2) verbindet.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Oberfläche (7.) tretende Teil der dritten Zone (3) innerhalb der Kurve (3') gelegene, parallel zueinander verlaufende Streifen (3??) bildet.
3. Thyristor nacti Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (7) des Elalbleiterkörpers des Thyristors zwischen den Streifen (3'') korrespondierende Streifen (12) des Leitfähigkeitstyps tler zweiten Zone (2), jedoch mit he5herer Dotierungskonzentration als diese, vorgesehen sind, welche alle mit einem gleich dotierten, quer zu den Streifen (12) verlaufenden und zwischen den Streifen (12) und der besonderen hochdotierten Zone (9) liegenden Streifen (12') verbunden sind.
4. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve (3') an der Oberfläche (7) des Halbleiterkörpers von einem geschlossenen Ring (11) des Leitfähigkeitstyps der zweiten Zone (2), jedoch mit höherer Dotierungskonzentration als diese, umgeben ist, welcher er den elektrischen Kontakt (10) an der Oberfläche (7) mit der besonderen hochdotierten Zone (9) verbunden ist.
5. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurve (3') kreisringförmig ausgebildet ist und nur eine Oeffnung (8) aufweist, in welcher die besondere hochdotierte Zone (9) sich in das Innere der Kurve (3') verbreiternd und dort dem quer verlaufenden Streifen (12') gegenüberliegend angeordnet ist, und rauch der geschlossene Hing (11) kreisförmig ausgebildet ist, und der geschlossene Ring (11) zentral auf der Oberfläche (7) des Halbleiterkörpers des Thyristors in einer kreisförmigen Aussparung der die erste Zone (1) kontaktierenden tiauptelektrode (C) liegt.