DE2628792C2 - Lichtzündbarer Thyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen lichtzündbaren Thyristor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Thyristor ist bekannt z. B. aus der DE-OS 2408 079. Aus der US-PS 37 31 162 ist ein Thyristor bekannt, bei welchem die zentrale Steuerelektrode von an der Oberfläche in die P-Basis eingelassenen, N-dotlerten Segmenten umfaßt wird, zwischen denen Öffnungen bestehen, durch welche der Oberflächenanteil des Steuerstroms zur Kathode fließt.

Aus der US-PS 37 19 863 1st ein lichtzündbarer Thyristor bekannt, bei dem alle drei PN-Übergänge an die kathodenselttge Oberfläche gezogen sind derart, daß der N-Emltterberelch von der P-Baslszone, diese von der N-Baslszone, und diese vom P-Emitterbereich umfaßt wird. Der mit Licht zu bestrahlende N-Emitterberelch soll 10-25% der Summe der Flächen betragen, die von den beiden Basiszonen gebildet werden.

Obwohl llchtzündbare Thyristoren gemäß der DE-OS 24 08 079 sehr gute technische Ergebnisse erbracht haben, ist eine weitere Optimierung möglich.

Es 1st daher die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Thyristor dahingehend welter zu optimieren, daß er mit noch kleinerer Lichtleistung gezündet werden kann, ohne daß aber dadurch andere wesentliche Eigenschaften, z. B. die Zündfestigkeit gegenüber einem schnellen Spannungsanstieg dU/dt (»kritische Spannungsstellhelt«), verschlechtert werden.

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

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der durch die Lichteinstrahlung erzeugte Strom auf eine oder wenige Bereiche konzentriert, und man erhält auch bei niedriger Lichtleistung lokal hohe Stromdichten, die die Zündung des Thyristors bewirken können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt Flg. 1 den Schnitt eines Thyristors und Flg. 2 die Draufsicht auf einen Thyristor.

Der dargestellte Thyristor weist eine erste Zone 1 auf, die hoch N-dotiert Ist und damit als N-Emltterzone wirkt. Sie 1st mit der Kathode C kontaktiert. Die zweite Zone 2 Ist P-dotlert 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, N-dotlerte Zone 3 weist die niedrigste Dotierung aller Zonen auf und dient insbesondere der Aufnahme der Sperrschicht, die sich in Vorwärtsrichtung am vorwärts sperrenden Übergang 5, und In Rückwärtsrichtung am rückwärts sperrenden Übergang 6 ausbildet. Die vierte, P-dotlerte Zone 4 weist stirnseitig einen hochdotierten Bereich 4' auf, der mit der Anode A kontaktiert ist und als P-EmItterzone wirkt.

In der Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers des Thyristors Ist die hoch N-dotlerte Zone 9 vorgesehen, die mit dem hoch P-dotlerten Bereich 11 einen P*N⁺-Übergang . bildet, der durch den elektrischen Kontakt 10 überbrückt Ist. Die Zone 9 wirkt damit In bekannter Welse (vgl. z. B. Publication 671.15,3/69 der General Electric Company) als N-Emltter eines Hlll'sthyrlstors, der nach seiner Zündung den Steuerstrom zur Zündung des Hauptthyrl-

store liefert.

Der an die Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers des Thyristors tretende Teil der dritten Zone 3 bildet nun einesteils eine Umrandung 3' mit einer Öffnung 8, und anderenteils Innerhalb der Kurve 3' gelegene, parallel zueinander verlaufende Streifen 3". Die N⁺-dotierte Zone 9 1st in der Öffnung 8 angeordnet und bildet mit einem Teil des als geschlossener, die Umrandung 3' umschließender, hoch P-dotlerter Ring ausgebildeten Bereich 11 der Zone 2 den durch den elektrischen Kontakt 10 überbrückten P⁺N⁺-J jbergang.

Durch die geschilderte spezielle Struktur der N-Zone 3 an der Oberfläche 7 wird erreicht, daß der bei Lichteinstrahlung L am oberflächigen, durch die Streifenstruktur optimal langen Teil des PN-Überganges 5 erzeugte Löcherstrom in hoher Konzentration durch die öffnung 8 zur Kathode C abfließt, und über die in der Öffnung 8 angeordnete, als Emitterzone des Hilfsthyrlstors wirkende Zone 9 den Hllfsthyristor zündet, der dann seinerseits den Hauptthyristor zündet. Der F^Rlng 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 1st nun von großer Bedeutung, daß die leichtere Zündbarkelt 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 1st als am ungestörten PN-Übergang, und überdies die dU/dt-Empflndllchkelt 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 Thyristorstruktur dadurch weitergebildet, daß an der Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers 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 weiteren Streifen 12' verbunden sind.

Die zu den N-Strelfen 3" korrespondierenden P⁺-Strelfen 12 bewirken eine Erniedrigung des ohmschen Widerstandes für den-an dem oberflächigen PN-Übergang 5 erzeugten Löcherstrom und leiten diesen zum quer verlaufenden P⁺-Streifen 12', der dann - gewissermaßen als Sammelschiene - In voller Ausdehnung auf den gegenüberliegenden Teil der Zone 9 des zu zündenden Hilfsthyrlstors einwirkt.

Die Umrandung 3' kann grundsätzlich auch mehr als nur eine Öffnung mit jeweils darin angeordneter Zone 9 aufweisen, jedoch 1st eine Öffnung wegen der dadurch möglichen besonders hohen Löcherkonzentration besonders zweckmäßig. Eine kreisförmige Ausbildung der Umrandung 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 Umrandung 3' hinein, und die entsprechend breite Ausbildung und gegenüberliegende Anordnung des quer verlaufenden N-Strelfens 12' ergeben eine besonders Intensive Wechselwirkung dieser zwei Teile miteinander.
Die Herstellung eines derartigen Elementes Ist unproblematisch. Beispielswelse können in einem N-dotierten Silizium-Substrat des spezifischen Widerstandes 200 Ohm · cm und der Dicke 800 μπι in einem ersten Diffusionsprozeß die beispielsweise 90 μπι tiefen Zonen 2 und 4 erzeugt werden, wobei die Bereiche der Streifen 3" und der Umrandung 3', der Zone 9 und der Zone 1 durch eine Dl.Tuslonsmaske 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 werden mit der entsprechenden Maske noch die N⁺-Zonen 1 und 9 diffundiert. Die P⁺-Berelche 4' und 11 und die N⁺-Zonen 1 und 9 haben beispielsweise eine Eindringtiefe von 15 μπι. Die Breite der Streifen 3" beträgt beispielsweise 50 μπι, der Durchmesser der kreisförmigen Umrandung 3' beispielsweise 3 mm, der des Ringes 11 beispielsweise 4 mm, die Breite der Öffnung 8 beispielsweise 1 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Aussparung in der Emitterzone 1 beispielsweise 5,5 mm. Der Durchmesser 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 Welse über die ganze Kathode C verteilt.

Ein derart dimensioniertes Element sperrt Spannungen von beispielsweise 4,5 kV und kann beispielsweise bei 1 kV Vorwärtssperrspannung mittels einer GaAs-Leuchtdlode (950 nm) durch eine Lichtleistung von 5 mW gezündet werden. Die kritische Spannungssteilheit dU/dt bei Zimmertemperatur ist besser als 3000 V^sec (gemessen nach DIN 41 787).

Die besonderen Vorteile eines Thyristors nach der Erfindung liegen nicht nur in der geringeren für die Zündung 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 weltgehend unabhängig von der jeweiligen Sperrspannung, bei welcher gezündet wird. Eine gute dU/dt-Festigkelt Ist gewährleistet, und überdies ist der Thyristor auch in großem Maße geschützt gegen Schäden durch Überspannungen, also »überkopfzündfest«: Denn die Krümmung des vorwärts sperrenden PN-Überganges 5 Im lichtempfindlichen Bereich bewirkt dort eine Reduktion der Lawlnendurchbruchsspannung, so daß bei Überspannungen der Thyristor von diesem Bereich aus über sein ganzes Volumen gezündet wird und deshalb keinen Schaden nehmen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Lichtzündbarer Thyristor, mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei welchem die erste (1) und vierte (4, 4') Zone mit den Hauptelektroden (C A) kontaktiert sind und als Emitterzonen wirken, die zweite Zone (2) an die erste Zone (1) anschließt, und die dritte, am niedrigsten dotierte Zone (3) zwischen der zweiten (2) und der vierten (4, 4') Zone angeordnet ist, und bei welchem sowohl die zweite (2) als auch die dritte (3) Zone mitsamt dem zwischen ihnen gebildeten vorwärts sperrenden PN-Übergang (5) in einer Aussparung der ersten Zone (1) an die Oberfläche (7) des Halbleiterkörpers des Thyristors treten, und der an die Oberfläche tretende Teil des vorwärts sperrenden PN-Übergangs zwecks Zündung des Thyristors mit Licht beaufschlagbar 1st, und bei welchem in der genannten Aussparung eine besondere hochdotierte Zone (9) des Leitfähigkeitstyps der ersten Zone (1) vorgesehen ist, welche durch einen elektrischen Kontakt (10) auf der Oberfläche mit der zweiten Zone (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Oberfläche (7) tretende Teil der dritten Zone (3) eine Umrandung (3') für einen Teilbereich des an die Oberfläche (7) tretenden Teils der zweiten Zone (2) bildet, wobei diese Umrandung (3') mindestens eine Öffnung (8) aufweist, daß In dieser Öffnung (8) die besondere hochdotierte Zone (9) angeordnet ist, und daß der elektrische Kontakt (10) die besondere hochdotierte Zone (9) mit dem außerhalb der Umrandung (3') liegenden Teilbereich des an die Oberfläche (7) tretenden Teils der zweiten Zone (2) verbindet.

2. Thyristor nach Anspruch 1, bei dem der an die Oberfläche (7) tretende Teil der dritten Zone (3) parallel zueinander verlaufende Streifen (3") bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die paraüel zueinander verlaufenden Streifen (3") zusätzlich Innerhalb der Umrandung (3') angeordnet sind.

3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Streifen (3") des an die Oberfläche (7) tretenden Teils der dritten Zone (3) korrespondierende Streifen (12) des Leitfähigkeitstyps der zweiten Zone (2), jedoch mit höherer Dotierungskonzentration als diese, vorgesehen sind, welche alle mit einem gleich dotierten, quer zu den korrespondierenden Streifen (12) verlaufenden und zwischen diesen und der besonderen hochdotierten Zone (9) liegenden weiteren Streifen (12') verbunden sind.

4. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem In der Aussparung der ersten Zone (1) ein geschlossener Ring (11) des Leitfähigkeitstyps der zweiten Zone (2), jedoch mit höherer Dotierungskonzentration als diese, vorgesehen Ist, welcher über den elektrischen Kontakt (10) an der Oberfläche (7) mit der besonderen hochdotierten Zone (9) verbunden 1st, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (11) die Umrandung (3') umgibt.

5. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem die Aussparung der ersten Zone (1) und der geschlossene Ring (11) kreisförmig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrandung (3') krelsrlngförmlg ausgebildet Ist und nur eine Öffnung (8) aufweist, daß die besondere hochdotierte Zone (9) sich In das Innere der Umrandung (3') verbreiternd und dort dem quer verlaufenden weiteren Streifen (12') gegenüberliegend erstreckt und daß der geschlossene Ring (11) zentral auf der Oberfläche (7) des Halbleiterkörpers des Thyristors liegt.