DE2747945A1

DE2747945A1 - Thyristor-bauelement fuer eigenschutz

Info

Publication number: DE2747945A1
Application number: DE19772747945
Authority: DE
Inventors: B Jayant Baliga; Victor A K Temple
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-26
Publication date: 1978-05-18
Also published as: SE7712252L; JPS5380981A

Description

BEZEICHNUNG: Thyristor-Bauelement mit Eigenschutz
Die Erfindung bezieht sich auf ein Thyristor-Bauelement mit Eigenschutz gegen Ausfall durch Durchschalten beim Durchbruch.
Bei der Erfindung handelt es sich insbesondere um ein Bauelement, wo der Eigenschutz mittels eines stellenweise dünneren Basisgebietes vom n-Leitungstyp erreicht wird.
Der Haupt-Emitterbereich eines Thyristors ist sehr anfällig für den Ausfall durch Durchschlag beim Durchbruch, dies wird durch eine überhöhte Spannung an dem Bauelement eingeleitet. Die Lage des I>urchschalgspunktes (gewöhnlich die Stelle des höchsten Lawinendurchbruchstromes) ist nicht beeinflußbar und befindet sich üblicherweise irgendwo unterhalb des Emitters der Katode, und dies tritt viel eher ein als an einer mehr erwünschten Stelle, wie beispielsweise unterhalb des Steuerelektrodengebietes dieses Bauelementes.
Eine vorbekannte Vorgehensweise zur Erzielung des Anfangsdurch bruchs unterhalb des Steuerelektrodengebietes wird in dem Artikel von Peter Voss in der Fachzeitschrift ~Solic State Electronics1I, Bd. 27, Seite 655, 1974, beschrieben. Dieser Artikel schildert ein Basisgebiet, das sorgfältig aufbereitet wird, und zwar derart, daß sich seine höchste Donatorenkonzentration genau unterhalb der Steuerelektrodenkontaktierung befindet. Die Abhängigkeit des Lawinendurchbruchs von einer solchen Konzentration stellt sicher, daß der Durchbruch zuerst in diesem Gebiet auftritt, und damit das Bauelement geschützt wird. Natürlich ist die genaue Festlegung der Donatorenkonzentration schwierig.
Ein anderes Verfahren bezieht eine äußere Schaltung ein, die zwischen der Anode und der Steuerelektrode des Thyristors angeordnet ist. Die Durchbruchsspannung dieser äußeren Schaltung ist derart bemessen, daß diese Schaltung selbst vor dem zu schützenden Haupt-Iaitter des Thyristors in den Durchbruch übergeht.
so wird die Steuerelektrode in der üblichen Weise ausgelöst.
Dieses Verfahren ist Jedoch aufwendig und erfordert zusätzliche Bauelemente.
Zwei ebenfalls laufende Patentanmeldungen derselben Anmelderin offenbaren und beanspruchen andere Möglichkeiten zur Absenkung der Durchbruchspannung in Transistor- und Thyristorstrukturen.
In der einen laufenden Anmeldung (Erfinder Teaple und Baliza, US-Anm. Serial No. 737 492, eingereicht am 1.11.1976) wird eine ausgewählte Steuerung der Lebensdauer der Ladungsträger im Basisgebiet darauf verwendet, den Stroiverstärkungsfaktor ~ zu erhöhen und die Durchbruchspannung abzusenken. In der anderen, ebenfalls laufenden Anmeldung (Erfinder V.A.K. Temple ) wird die Krümmung des Endbereichs des planaren ueberganges in dem Steuerelektrodengebiet abgeglichen, um die Durchbruchspannung im Steuerelektrodengebiet abzusenken.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Sicherstellung einer erwünschten Form des Durchschaltvorgangs beim Durchbruch zum Eigenschutz eines Thyristors gegen Ausfall durch Durchschlag beim Durchbruch zu schaffen.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße Thyristor-Bauelexent ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps umfaßt, das einander gegenüberliegende pn-Ubergänge mit Gebieten vom entgegengesetzten Leitungstyp bildet, daß diese Diffusionsgebiete die Basis und die Anode des genannten Thyristor-Bauelementes bilden, daß ein Teil von zumindest einem der beiden pn-Ubergänge sich in größerer Nähe zu dem ihm gegenüberliegenden pn-Ubergang als der restliche Bereich dieses Ubergangs befindet, und daß eine Steuerelektrode mit dem genannten Teil des pn-8bergangs ausgerichtet ist und ein Steuerelektrodengebiet bildet, daß sich im wesentlichen im gleichen Sinne wie der genannte Teil des pn-Ubergangs erstreckt.
Gemäß der obigen Aufga#enstellung wird also ein Thyristor-Bauelement geschaffen, mit Eigenschutz gegen Ausfall durch Durchschlag beim Durchbruch. Dazu werden in einem Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps einander gegenüberliegende pn-Ubergänge mit Gebieten vom entgegengesetzten Leitungstyp ausgebildet.
Derartige Gebiete dienen als Basis bzw. Anode des Thyristors.
Ein Teil von zumindest einem der pn-Ubergänge befindet sich in größerer Nähe zum gegenüberliegenden pn-Ubergang als der Rest dieses pn-Ubergangs. Eine Steuerelektrode liegt einem Teil des pn-Uberganges gegenüber.
Im weiteren wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen: Fig. 1A-C: senkrechte Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, und Fig. 2A,B: Darstellungen typischer Dotierungsprofile ait zugeordneten Tabellen 1 und 2 zum Verständnis der Erfindung.
Es wird nunmehr auf Fig. 1A bezug genommen, das dort dargestellte Thyristor-Bauelement besteht aus einem Basis-Substrat 10 vom n-Leitungstyp, mit Diffusionsgebieten 11 und 12 vom p-Leitungstyp.
Eine komplementär dotierte Struktur könnte selbstverständlich auch verwendet werden, wie beispielsweise ein Substrat vom p-Leitungstyp usw. Das Diffusionsgebiet 11 bildet die Basis vom p-Leitungstyp des Thyristors, ein Gebiet 13 vom n+-Leitungstyp bildet den Emitter für die Katode des Thyristors, und das Diffusionsgebiet 12 bildet in Verbindung Pit einer Metallisierung 14 die Anode. Die Diffusionsgebiete 11,12 vom p-Leitungstyp bilden zwei einander gegenüberliegende pn-Ubergänge 16 und 17.
Gemäß der Erfindung liegt nun ein Teil 16' des pn-Ubergangs 16 in engerer Nähe zum gegenüberliegenden pn-Ubergang 17 und bildet somit ein stellenweise dünneres n-Basisgebiet. Außerdem ist dieser Teil 16' gebildet in oder ausgerichtet mit einem Steuerelektrodengebiet, wie es durch die Steuerelektrode 18 festgelegt wird. Insbesondere durchsetzen die Steuerelektrodenkontaktierung bei 18 und der Teil 16' eine gemeinsame senkrechte Ebene durch das Bauelement hindurch. Diese Anordnung hat die Wirkung, den Stromverstärkungsfaktor cd zu beeinflussen, oder auch den Basis-Transportfaktor, um zu bewirken, daß dieser stellenweise höher ist, und damit die Durchbruchspannung in diesem Gebiet abgesenkt wird, im Gegensatz zum Rest des Thyristorbauelements. Dies Verfahren, den Stromverstärkungsfaktoroc durch die Stärke der n-Basis zu beeinflussen wird gegenüber den anderen oben geschilderten Verfahrensweisen vorgezogen, weil dabei sich die Spannung am Haupt-Thyristorgebiet im durchgeschalteten Zustand nicht erhöht.
Die Gesamtanordnung nach Fig. 1A ist scheibenförmig, wobei sowohl das Steuerelektrodengebiet, als auch der pn-Ubergangsteii 16 in ihrer Anlage kreisförmig sind, sowie konzentrisch zu dem scheibenförmigen Substrat.
Fig. IB und 1C veranschaulichen alternative Ausführungsformen zu Fig. 1A. Nach Fig. IB befindet sich ein Basisteil 17' näher am Ubergang 16, und nach Fig. 1C weisen beide Ubergänge versetzte Teile 16' und 17' auf.
Die scheibenförmigen Gebiete 16' und 17' werden durch ein dem Fachmann vertrautes Vorätzverfahren erhalten. Als Alternative kann eine Teilmaskierung bei der Diffusion eingesetzt werden, um eine flachere Diffusion, außer in den Gebieten 16' und 17 zu erhalten. Anschließend daran können die p-Diffusionen zur Bildung der Gebiete 11 und 12 selbstverständlich auch bewirken, daß eine zugeordnete, scheibenförmige Formgebung bei dem Steuerelektrodengebiet 18 oder dem Anodengebiet auftritt, wie in Fig.1B gezeigt, oder bei beiden Gebieten gleichzeitig, wie in Fig. 1C gezeigt. Schließlich besteht ein anderes Verfahren zur Ausbildung des scheibenförmigen Gebietes im Einsatz eines oder mehrerer zusätzlicher Diffusionsschritte in solchen Teilbereichen; beispielsweise eine erste Diffusion lediglich in einem solchen Teilbereich, sowie eine zweite, über alles gehende Diffusion.
Zum Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelementes werden die Dotierungsprofile in Fig. 2A und Fig. 2B gezelgt, wo unter Verwendung des folgenden Verfahrens geeignete Werte für # in dem Basisgebiet ausgewählt werden. Es ist wünschenswert, die Größen ts, MG und MM zu berechnen, wobei % der Transportfaktor im Steuerelektrodengebiet, o# der Transportfaktor im Haupt-Thyristorgebiet, und MG und MM die Lawinen-Multiplikationsfaktoren sind.
Aus der folgenden Gleichung (i) ist der Transportfaktor annähernd gegeben: dabei ist die Diffusionslänge der Minoritätsträger in der Basis, Dp ist die Diffusionskonstante für Löcher,# ist p die Lebensdauer der Minoritätsträger in der Basis, und W(V) ist die Basisbreite ohne Verarmung an Ladungsträgern bei der zugeführten Spannung V.
Wenn die Näherung für abrupten Uebergang für den Multiplikationsfaktor M verwendet wird, so gilt: dabei ist VBR die Spannung beim Zusammenbruch, und n ist eine Konstante (2 Löcher für 4 Elektronen). Jedoch ist die Gleichung (2) nicht genau genug für die Dotierungaprofile nach Fig. 2. Daher wird eine Reihe von genauen Berechnungen der Lawinenvervielfachung in den Tabellen 1 und 2 in Fig. 2 gezeigt. Aus diesen Tabellen kann M(V) bestimmt werden.
I - Berechnung für den Fall eines Substrats mit einer Fremdstoffkonzentration von 3x1013/cm3 (Fig. 2k) (a) Für einen nicht dünner ausgeführten Hauptemitter mit #P=15#us, 115 ergibt sich Lp ~0,084 mm. Bei einer Spannung V - 4050 V, ist die von der Basis ertragene Spannung Vn 1 3300 V. Damit ist W(V) ~ 0,137 mm. Aus der Gleichung (1) folgt ## (4050) ~ 0,64.
Aus der Tabelle 1 in Fig. 2A ergibt sich MM(4050) ~ 1,7 und - 1,09, dies zeigt an, daß die Durchbruchsspannung des Hauptthyristors bei etwa 4050 V liegt.
(b) Bei dünnerer Ausführung der n-Basis im Steuerelektrodengebiet bis herunter zu 0,456 mm, bei V - 3850 V (Vn s 3100 und W ~ 0,o91 mm)#G(3850) - 0,8. Aus der Tabelle 1 nach Fig. 2A folgt: MG(3850) - 1,30. Damit ergibt sich #GMG ~ 1,05 und zeigt an, daß die Durchbruchspannung des Steuerelektrodengebietes bei 3800 V liegt.
II - Berechnung für den Fall eines Substrats mit einer Fremdstoffkonzentration von 5x1013/cm3 (Fig. 2B) (a) Es wird die Gleichung (1) und die Tabelle 2 in Fig. 2B eingesetzt, man erhält bei einem Hauptemitter mit einer Basis vom n-Leitungstyp von 0,356 mm, und einer Ladungsträgerlebensdauer von 20 #us (#p) ) den Wert L - 0,155 mm. Bei p p einer Spannung V 1 2800 V wird Vn - 2250 V, daraus ergibt sich W(2800) ~ 0,119 mm . Mit der Gleichung (1) erhält man ~M(2800) -0,76. Aus der Tabelle 2 in Fig. 2B folgt dann MM(2800) ~ 1,3, daraus ergibt sich ~#MM -0,99, was eine Durchbruchsspannung von etwa 2800 V anzeigt.
(b) Bei einem auf 0,303 mm beschränkten, dünneren Steuerelektrodengebiet ist #M(2600) ~ 0,88 0,88 (dies ergibt sich aus Vn-2500 V und W 1 0,080 mm; der Wert für Lp ist derselbe wie ii Fall (a) oben). Aus der Tabelle 2 in Fig. 2A folgt MG(2600) ~1,08, daraus ergibt sich 42 #O,95, dies zeigt eine Durchbruchsspannung von etwa 2650 V im Bteuerelektrodengebiet an.
Sind ein Dotierungsprofil und genaue Ausdrücke zur Berechnung wonot(V) und M(V) gegeben, so ist die Auslegung der Stärke der n-Basis des Steuerelektrodengebietes ein verhältnismäßig einfacher Vorgang. Wie bei der Berechnung für das Bauelement nach Fig. 2 angezeigt, ergibt die dünnere Auslegung der n-Basis zwischen 0,508 und 0,456 mm den Wert zum - 1 bei 3800 V viel eher als bei 4050 V.
Diese Vorgehensweise bringt ein Problem alt sich, und das liegt darin, daß beim Erhöhen des Stromverstärkungsfaktors # im Gebiet der n-Basis das Ansprechen auf schnelle Spannungsänderungen dU/dt abgesenkt wird, und zwar mit der vergrößerten Fläche des dünner ausgeführten Gebiets und proportional zur Zunahme des pnp-Transistorverstärkungsfaktor . Bei der Rechnung mit dem Ausführungsbeispiel nahm der Stromverstärkungsfaktor um den Faktor 2,5 für das dünner ausgeführte Gebiet bei 3800 V zu, und dies gegenüber dem Fall, wo keine dünnere Ausführung vorliegt.
Die Antwort darauf ist eindeutig, das tatsächlich dünner auszuführende Gebiet zu begrenzen, um ein gutes Ansprechverhalten bei schnellen Spannungsstößen dV/dt aufrechtzuerhalten.
Eine zweite Komplikation liegt infolge der begrenzten Einführung von Krümmung bei dem Ubergang vor, die teim Vorätzungsschritt eingebracht wird. Dieser Effekt ist erwartungsgemäß als klein anzusehen, vorausgesetzt, daß die Tiefe der Ätzung geringer als die Tiefe des Ubergangs ist. Liegt Jeweils eine Hälfte des dünner ausgeführten Teils auf Jeder Seite, wie in Fig. 1C gezeigt, so geht dieser Effekt zurück. Da Jedoch die Tendenz des Effekts darin besteht, den Lawinenvervielfachungsfaktor M leicht zu erhöhen, so kann er oft mit Vorteil dafür verwendet werden, den Wert CX M im Steuerelektrodengebiet zu erhöhen.
Das Bauelement nach der Erfindung ist besonders dort brauchbar, wo der Thyristor von leicht durchschaltender Bauform ist, und dieser Nutzen zieht aus dem verbesserten Transistor-Verstärkungsfaktor des dünner ausgeführten Gebiets, wo dieses Steuerelektrodengebiet als lichtempfindlicher Bereich Anwendung findet.
Wenn auch die Ausführungsbeispiele von einer bestimmten Struktur mit kreisförmiger Geometrie gehandelt haben, so gilt die Erfindung ebenso gut für Strukturen mit komplementärem Dotierungsprofil und dünner ausgeführten Basisgebieten beliebiger Form.

Claims

Patentansprüche Thyristor-Bauelement mit Eigenschutz gegen Ausfall durch Durchschalten beim Durchbruch, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Halbleitersubstrat (10) eines ersten Leitungstyps umfaßt, das einander gegenüberliegende pn-Ubergänge (16,17) mit Gebieten (11,12) vom entgegengesetzten Leitungstyp bildet, daß diese Diffusionsgebiete (11,12) die Basis und die Anode des genannten Thyristorbauelenentes bilden, daß ein Teil (16',17') von zumindest einem der beiden pn-Ubergänge (16,17) sich in größerer Nähe zu dem ihm gegenüberliegenden pn-Ubergang (16,17) befindet als der Rest dieses uebergangs, und daß eine Steuerelektrode (18) mit dem genannten Teil (16',17') des pn-Ubergangs (16,17) ausgerichtet ist und ein Steuerelektrodengebiet bildet, das sich im wesentlichen im gleichen Sinne wie der genannte Teil (16',17') des pn-Ubergangs (16,17) erstreckt.
2. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte ßubstrat (10) scheibenförmig, und der genannte eine Teil (16',1?') des pn-Ubergangs (16,17) kreisförmig und konzentrisch zu dem genannten Substrat (10) ist.
3. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüberliegende Teile (16',17') der beiden genannten pn-Ubergänge (16,17) sich in engerer Nähe zueinander befinden.
4. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Gebiete (11,12) vom entgegengesetzten Leitungstyp durch Diffusion in das genannte Substrat (10) hinein ausgebildet sind, und daß der genannte Teil (16,17') durch Vorätzung einer Oberfläche des genannten Substrats (10) vor der genannten Diffusion ausgebildet ist.
5. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da der genannte Teil (16',17') in engerer Nähe durch eine flachere Diffusion als im Rest des genannten pn-Ubergangs (16,17) ausgebildet ist.
6. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Steuerelektrodengebiet lichtempfindlich ist.
7. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Teil (16' ~1?') mit flacherer Diffusion durch eine partielle Maskierung bei der Diffusion ausgebildet ist.
8. Thyristor-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte, in engerer Nähe angeordnete Teil (16',17') durch einen oder mehrere zusätzliche Diffusionsschritte in diesem Teil gegenüber dem Rest des genannten pn-0bergangs (16,17) ausgebildet ist.