DE2715482C2 - Mit Licht steuerbarer Thyristor - Google Patents

Description

a) In der kathodenseitigen Basiszone (3) sind zwei Gräben (6,7) vorgesehen, die mindestens so tief wie die Hilfsemitterzone (2) sind,

b) der erste Graben (6) begrenzt die Hilfsemitterzone (2) auf der vom Bereich (β) abgewandten Seite,

c) der zweite Graben (7) liegt zwischen dem Bereich (8) und der Basiszone (3) derart, daß er mit dem ersten Graben (6) einen oder mehrere Stege (11,16) der Hilfsemitterzone (2) ausbildet, die an mindestens zwei Seiten von den Gräben (6, 7) begrenzt sind,

d) die Hilfsemitterzone (2) ist durch die Hilfsemitterelektrode über diese Stege (U, 16) mit den außerhalb der Gräben (6, 7) liegenden Teilen der Basiszone (3) verbunden.

2. Thyristor nach Anspruch I, bei dem die Hilfsemitterzone als Kreisringsektor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gräben (6, 7) als Kreisringsektoren ausgebildet sind, derart, daß sich die Enden des zweiten Grabens (7) einerseits und des ersten Grabens (6) und der Hilfsemitterzone (2) andererseits überlappen, und daß die Hilfsemitterzone (2) an beiden Enden je einen Steg (11) bildet.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, mit einer ringförmigen, den Bereich umgebenden Sammelelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelelektrode (9) die Basiszone (3) kontaktiert.

4. Thyristor nach Anspruch 2 und 3, mit einer einen kreisringsektorförmigen Vorsprung aufweisenden Sammelelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (10) zwischen den Enden des zweiten Grabens (7) liegt.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einer ringförmigen Hilfsemitterelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterelektrode (4) mit einem kreisringsektorförmigen Vorsprung (15) versehen ist, der zwischen den Enden des ersten Grabens (6) liegt.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (3) im Gebiet des zur Belichtung bestimmten Bereiches (8) dünner als die restliche Fläche der Basiszone ist.

7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone (2) auch den zur Belichtung bestimmten Bereich (8) bedeckt.

8. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gräben (6, 7) miteinander verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mit Licht steuerbaren Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der kathodenseitig mindestens einen zur Belichtung bestimmten Bereich aufweist mit einer kathodenseitigen Hauptemitterzone, mit einer kathodenseitigen Basiszone, deren Dotierung zur Anodenseite hin abnimmt, mit mindestens einer zwischen der Hauptemitterzone und dem Bereich in der kathodenseitigen Basiszone liegenden Hilfsemitterzone und mit mindestens einer

ίο Hilfsemitterelektrode, die auch die Basiszone kontaktiert.

Ein solcher Thyristor ist beispielsweise in der DE-OS 24 58 401 beschrieben worden. Die Hilfsemitterzone des Thyristors gehört zu einem lichtsteuerbaren Hilfsthyristör, der als Steuerstromverstärker für den Hauptthyristor dient Der Hauptthyristor führt nach Einleiten der Zündung den Laststrom. Zwischen dem lichtsteuerbaren Hilfsthyristor und dem Hauptthyristor kann noch ein weiterer Hilfsthyristor liegen.

Der Fotostrom des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors fließt bei Belichtung in die Hilfsemitterelektrode und von da aus in radialer Richtung zum Emitter des Hauptthyristors. Obersteigt die Emitter-Basis-Spannung an einer Stelle des pn-Überganges zwischen der Basiszone und der Hilfsemitterzone beziehungsweise der Hauptemitterzone einen bestimmten Spannungswp.rt, der etwa 0,5 V beträgt so zündet der Thyristor.

In der Praxis ist es erwünscht den lichtsteuerbaren Hilfsthyristor über Lichtleiter anzusteuern. Diese Lichtleiter haben üblicherweise Durchmesser von 1 mm oder weniger. Den Durchmesser des zur Belichtung bestimmten Bereiches wird man zur Erzielung einer guten du/dt-Festigkeit, die unter anderem von der Leitfähigkeit der Basiszone abhängt, einerseits nur um so viel größer als den Durchmesser des Lichtleiters machen, daß er kontaktiert werden kann. Um mit möglichst wenig Lichtleistung auszukommen, muß die Empfindlichkeit des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors aber andererseits hoch sein. Man kann die Lichtempfindlichkeit zum Beispiel dadurch erhöhen, daß man der Basiszone durch niedrige Dotierung einen hohen spezifischen Widerstand gibt, so daß schon bei geringen Strömen der zur Zündung ausreichende Spannungsabfall erreicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der oben erwähnten Art so weiterzubilden, daß er auch bei hoher Dotierung der Basiszone eine hohe Lichtempfindlichkeit erhält.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) In der kathodenseitigen Basiszone sind zwei Gräben vorgesehen, die mindestens so tief v/ie die Hilfsemitterzone sind,

b) der erste Graben begrenzt die Hilfsemitterzone auf der vom Bereich abgewandten Seite.

c) der zweite Graben liegt zwischen dem Bereich und der Basiszone derart, daß er mit dem ersten Graben einen oder mehrere Stege der Hilfsemitterzone ausbildet, die an mindestens zwei Seiten von den Gräben begrenzt sind.

d) die Hilfsemitterzone ist durch die Hilfsemitierelektrode über diese Stege mit den außerhalb der Gräben liegenden Teilen der Basiszone verbunden.

Durch die Erfindung wird der Fotostrom zu einem Weg gezwungen, der unter der Hilfsemitterzone und unter dem ersten Graben zu demjenigen Teil der Hilfsemitterelektrode führt, der die Basiszone kontaktiert

Hierdurch läßt sich auch mit einem geringen Fotostrom ein für die Zündung des Hilfsthyristors ausreichender Spannungswert erzielen.

Im US-Patent 37 31 162 ist zwar bereits ein Thyristor beschrieben, der mehrere wenigstens tei.weise in der Basiszone liegende Gräben aufweist Durch diese Gräben wird der Steuerstrom konzentriert und es wird eine zu einer schnellen Zündung des Thyristors erforderliche Stromdichte des Zündstromes erreicht Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip wird bei dem aus Jem US-Patent bekannten Thyristor nicht angesprochen.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den F i g. 1 bis 8 näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 einen Schnitt durch dieses Halbleiterelement entlang der Linie H-II,

Fig.3 einen Schnitt durch dieses Halbleiterelement entlang der Linie IH-III,

F i g. 4 einen Schnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem anderen Ausführungsbeispiel,

F i g. 6 den Schnitt durch das Halbleiterelement nach F i g. 5 entlang der Linie VI-VI,

F i g. 7 die Aufsicht auf ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem vierten Ausführungsbeispiel u:id Fi g. 8 den Schnitt durch das Halbleiterelement nach F i g. 7 entlang der Linie VlII-VIII.

In den Figuren sind einander gleiche oder funktionsgleiche Teile gleich bezeichnet. In den Fig. 1, 5, 7 sind die Elektroden der besseren Übersichtlichkeit halber schraffiert

Das Halbleiterelement nach Fig. 1 weist eine Hauptemitterzone 1, eine Hilfsemitterzone 2 und eine beiden Emitterzonen gemeinsame Basiszone 3 auf, deren Dotierung mit der Tiefe abnimmt Die Hilfsemitterzone 2 ist dem lichtsteuerbaren Hilfsthyristor und die Hauptemitterzone 1 dem Hauptthyristor zugeordnet. Die Hauptemitterzone 1 ist mit einer Emitterelektrode 5 und die Hilfsemitterzone 2 mit einer Hilfsemitterelektrode 4 kontaktiert. Der zur Belichtung bestimmte Bereich ist mit 8 bezeichnet. Er ist von einer ringförmigen Sammelelektrode 9 umgeben, die einen kreisringsektorförmigen Vorsprung 10 aufweist Die Hilfsemitterzone 2 hat die Form eines Kreisringsektors. Der die Hilfsemitterzone 2 kontaktierende Teil der Hilfsemitterelektrode 4 ist von dem die Basiszone 3 kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode 4 durch einen ersten kreisringsektorförmigen Graben 6 auf einem Teil des Umfanges der Hilfsemitterzone 2 getrennt Zwischen dem zur Belichtung Destimmten Bereich 8 der Basiszone 3 und der Hilfsemitterelektrode 4 liegt ein zweiter kreisringsektorförmiger Graben 7, dessen Enden sich mit den Enden des Grabens 6. den Enden der Hilfsemitterzone 2 beziehungsweise den Stegen 11 überlappen. Derjenige Teil der Hilfsemitterzone 2. der den die Basiszone 3 kontaktierenden Teil der Hilfsemitterelektrode 4 trägt, bildet von den Gräben 6,7 zweiseitig begrenzte Stege 11.

Wird der Bereich 8 belichtet, so werden in der Basiszone 3 Ladungsträgerpaare erzeugt, wobei bei der angegebenen Polarität der Emitterelektrode 5 die Defektelektronen zunächst in Richtung des Bereiches 8 zur Kathodenseite abfließen, während die Elektronen zur Anodenseite abgezogen werden. Der Weg, den die Ladungsträger nehmen, ist in Fig.2 schematisch durch einen Pfeil veranschaulicht Es ist ersichtlich, daß der Strom durch die Gräben 6 und 7 zu einem Umweg gezwungen wird, der in die schwach dotierten inneren Schichten der Basiszone 3 führt Die Gräben 6 und 7 sind dazu mindestens so tief wie die Hilfsemitterzone 2. Sie können beispielsweise durch Ätzen in Verbindung mit der bekannten Fotoresisttechnik hergestellt werden, ίο Der Strom (Fotostrom) fließt unter Umgehung der Gräben 6, 7 zu den vom Bereich 8 abgekehrten Teilen der Hilfsemitterelektrode 4 ab und erzeugt unter der Hilfsemitterzone 2 einen zur Zündung ausreichenden Spannungsabfall.

Der Fotostrom des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors fließt über den Vorsprung 10 der Sammelelektrode 9, der in der Öffnung des ringsektorförmigen Grabens 7 angeordnet ist, radial nach außen. Durch diese Anordnung wird eine Konzentration des Fotostromes für den Hilfsthyristor erreicht, sobald er die zum Zünden des Hilfsthyristors notwendige Höhe übersteigt. Der Hilfsthyristor wird dann auf Grund der durch die Konzentration erreichten hohen Steuerstromdichte mit relativ geringer Zündverzugszeit eingeschaltet Die Sammelelektrode 9 ist für die Funktion des Hilfsthyristors nicht unbedingt notwendig. Es ist jedoch zweckmäßig, wenigstens eine d^m Vorsprung 10 entsprechende Elektrode vorzusehen, damit der Fotostrom gleichmäßig zur Hilfs emitterzone 2 fließen kann.

In F i g. 4 ist gezeigt, daß der zur Belichtung bestimmte Bereich 8 dünner als die übrige Basiszone 3 sein kann. Zur weiteren Erhöhung der Zündempfindlichkeit des Hilfsthyristors kann zwischen der Sammelelektrode 9 ,und der Emitterzone 2 ein weiterer Graben 17 vorgesehen sein.

Die Anordnung nach F i g. 5 und 6 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 bis 3 im wesentlichen dadurch, daß die Hauptemitterzone 1 nunmehr als weitere Hilfsemitterzone dient und auf der dem Bereich 8 abgekehrten Seite der Emitterzone 1 eine dritte Emitterzone 13 vorgesehen ist, die nun Bestandteil eines Hauptthyristors ist. Die Emitterzone 13 ist mit einer Elektrode 14 versehen. Die Hilfsemitterelektrode 4 hat einen kreisringsektorförmigen Vorsprung 15, der zwisehen den Enden des Grabens 6 liegt. Durch diesen Vorsprung läßt sich eine Konzentration des Steuerstromes für den zweiten Hilfsthyristor (Emitterzone 1) erreichen, der damit auf die oben beschriebene Weise mit geringer Zündverzugszeit gezündet werden kann. Die Länge der sektorförmigen Vorsprünge 10 und 15 kann variiert werden. Durch sie wird die wirksame Randlänge der Emitterzonen 1 und 2, das heißt ihrer pn-Übergänge auf der dem Bereich 8 zugekehrten Seite eingestellt und damit das Einschaltverhalten des lichtsteuerbaren Hilfsthyristors und des zweiten Hilfsthyristors bestimmt. Macht man das Verhältnis der wirksamen Randlängen der Hilfsemitterzone 2 auf ihrer dem Bereich 8 zugewandten Seite zur wirksamen Randlänge der Emitterzone 1 auf ihrer dem Bereich 8 zugewandten Seite kleiner als 3 : 1, zum Beispiel wie in F i g. 5 dargestellt etwa 1 :1, so kann man erreichen, daß der lichtsteuerbare Hilfsthyristor lediglich als Stromverstärker arbeitet, das heißt nicht zündet. Dies hat den Vorteil, daß "=ich während des Einschaltens im lichtsteuerbaren Hilfsthyristor kein Laststromkanal ausbilden kann.

In den F i g. 7 und 8 ist dargestellt, daß die Hilfsemitterzone 2 auch den zur Belichtung bestimmten Bereich 8 bedecken kann. In diesem Fall engt der Graben 7 die

Hilfsemitterzone 2 zu einem Steg 16 ein, an den sich die beiden Stege 11 anschließen. Die erzeugten Defektelektronen nehmen hier, wie durch den Pfeil dargestellt, einen Weg senkrecht zur Hilfsemitterzone 2, unter dieser entlang und fließen unter Umgehung des Grabens 6 beziehungsweise 7 zur Hilfsemitterelektrode 4 und von da zur Emitterzone i, die Bestandteil eines Hilfsthyristors oder eines Hauptthyristors sein kann.

In den Ausführungsbeispielen wurden die Gräben als Kreisringsektoren dargestellt. Diese Form empfiehlt sich bei zentraler Lage des zur Belichtung bestimmten Bereiches 8. Die Gräben können jedoch auch andere Formen haben und beispielsweise in radialer Richtung verlaufen. Es können auch kreisringsektorförmige Gräben zusammen mit radialen Gräben verwendet werden. Die Gräben können auch so miteinander verbunden sein, daß zwischen ihnen ein oder mehrere schmale Stege der Hilfsemitterzone 2 stehenbleiben. Die Gräben können mit Isolierstoff oder einem hochohmigen Material gefüllt sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

25

30

35

40

45

50

55

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Mit Licht steuerbarer Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der kathodenseitig mindestens einen zur Belichtung bestimmten Bereich aufweist, mit einer kathodenseitigen Hauptemitterzone, mit einer kathodenseitigen Basiszone, deren Dotierung zur Anodenseite hin abnimmt, mit mindestens einer zwischen der Hauptemitterzone und dem Bereich in der kathodenseitigen Basiszone liegenden Hilfsemitterzone und mit mindestens einer Hilfsemitterelektrode, die auch die Basiszone kontaktiert gekennzeichnet durch die Merkmale;