DE2843960C2

DE2843960C2 -

Info

Publication number: DE2843960C2
Application number: DE2843960A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Dipl.-Phys. 6053 Obertshausen De Silber; Marius Ing.(Grad.) 6078 Neu-Isenburg De Fuellmann; Wolfgang Ing.(Grad.) 6236 Eschborn De Winter
Original assignee: EUPEC GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1978-10-09
Filing date: 1978-10-09
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DE2843960A1; US4282542A

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor, der aus einem optisch oder elektrisch zündbaren Pilotthyristor- und einem den Laststrom übernehmenden Folgethyristorteil besteht, mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps zwischen zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, einer ersten Emitterzone vom ersten Leitungstyp an der ersten Hauptoberfläche, einer darauf angeordneten Hauptbasiszone vom zweiten Leitungstyp, einer darauffolgenden Steuerbasiszone vom ersten Leitungstyp und in diese eingelassen an der zweiten Hauptoberfläche zwei Emitterzonen vom zweiten Leitungstyp, von denen die eine als Emitterzone des Folgethyristorteils Emitterkurzschlüsse aufweist und außerhalb der kreisscheibenförmigen Emitterzone des Pilotthyristorteils liegt, und bei dem eine elektrisch leitende Verbindung eines Teils der Emitterzone des Pilotthyristorteils mit einem Teil der an der zweiten Hauptoberfläche tretenden Steuerbasiszone besteht.

Ein derartiger Thyristor ist aus der DE-OS 25 49 563 bekannt. Bei dieser Druckschrift wird davon ausgegangen, daß eine ausreichende Störsicherheit gegen Zündvorgänge bzw. Störströme notwendig ist, die durch den infolge Temperaturerhöhung ansteigenden Sperrstrom oder durch eine zu starke Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei Belastung in Vorwärtsrichtung bewirkt wird. Dieses Problem tritt insbesondere im Zündbereich des Thyristors auf. Wird dieser Bereich nämlich durch geometrische Dimensionierung und Dotierung zündempfindlich für eine niedrige Anregungsdichte ausgelegt, so tritt auch eine unerwünschte Zündung bereits bei geringen Störströmen auf.

Zur Vermeidung derartiger Störzündungen wird bei dem bekannten Thyristor eine sogenannte Störpotentialkompensation vorgenommen. Dazu ist im Randbereich der an die erste Emitterzone anschließende, für den Pilot- und Folgethyristorteil gemeinsamen Steuerbasiszone eine metallischer Ringkontakt vorgesehen, der über eine äußere metallische Verbindung mit dem Kontakt der Emitterzone des Pilotthyristorteils verbunden ist, so daß bei in der Steuerbasis auftretenden Störströmen das im Randbereich der Steuerbasiszone entstehende Potential abgenommen und auf die Emitterzone des Pilotthyristorteils übertragen wird.

Ein Nachteil dieser Störpotentialkompensation besteht jedoch darin, daß sie an den jeweiligen Thyristortyp angepaßt werden muß. Der Randbereich des Thyristors muß nämlich an die Sperrspannungen und Stromtragfähigkeiten des jeweiligen Thyristors angepaßt werden.

ein Thyristor der vorgenannten Art ist auch in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Electron Devices", Band ED- 23, 1976, Seiten 899-904, beschrieben. Dieser Druckschrift ist zusätzlich zu entnehmen, daß durch eine geeignete Geometrie des Ringkontaktes und einen geeigneten Widerstand der Steuerbasiszone ein optimales Kompensationspotential erhalten werden kann.

Ein Thyristor, der aus einem Pilotthyristorteil und einem Folgethyristorteil besteht, wird auch in der DE-OS 22 01 041 beschrieben. Bei dieser Druckschrift wird davon ausgegangen, daß der Pilotthyristorteil nur dann sicher vor dem Folgethyristorteil zündet, wenn unter der Basiszone eine weitere Basiszone vorgesehen ist, dessen spezifischer Widerstand kleiner als der der übrigen weiteren Basiszone ist, und daß dieser Bereich nicht über den äußeren Rand des Pilotthyristoremitters hinausragt. Um einen derartigen Thyristor auch unempfindlich gegenüber Spannungen mit hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zu machen, wird zwischen einem beliebigen Punkt in der Fläche des Hilfsemitters bis zum nächstgelegenen Punkt, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist, ein Abstand von etwa 1 bis 4 mm gewählt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs definierten Thyristor derart weiterzubilden, daß die Störpotentialkompensation unabhängig vom Thyristor ist, d. h. insbesondere unabhängig von den Spannungen und Strömen, für die der Thyristor ausgelegt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die elektrisch leitende Verbindung aus einer flächenhaften, ausgedehnten Metallisierung besteht, durch die der Teil der Emitterzone des Pilotthyristorteils mit einem Teil eines direkt benachbart an die zweite Hauptoberfläche tretenden Bereichs der Steuerbasiszone verbunden ist, daß der der Emitterzone des Pilotthyristorteils benachbarte Bereich der Steuerbasiszone in seiner Geometrie und in seinen Flächenwiderständen von der Radialsymmetrie abweichend ausgebildet ist, und daß diese Flächenwiderstände der Steuerbasiszone und die sich aus dem in Sperrichtung belasteten pn-Übergang zwischen der Steuerbasiszone und der Hauptbasiszone ergebenden Kapazitäten so bemessen und verteilt sind, daß das Produkt der Größen C_ir′′ · R₁′′ angenähert gleich dem der Größen C_iz · R₂′ ist, und dabei der Flächenwiderstand R₁′′ im Rahmen der geometrischen und materialbedingten Ausgestaltungsmöglichkeiten möglichst klein und die Kapazität C_ir′′ entsprechend groß gewählt sind, wobei bedeuten:
C_ir′′ die unterhalb der auf der Steuerbasiszone befindlichen Metallisierung auftretende Kapazität,
C_iz die unterhalb der Emitterzone des Pilotthyristorteils auftretende Kapazität,
R₁′′ den Flächenwiderstand der Steuerbasiszone zwischen dem der Emitterzone des Pilotthyristorteils abgewandten Rand der Metallisierung und einem diesem Rand benachbarten Emitterkurzschluß der Emitterzone des Folgethyristorteils, und
R₂′ einen etwa radialsymmetrisch in der Steuerbasiszone unterhalb der Emitterzone des Pilotthyristorteils liegenden Flächenwiderstand.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Störkompensationsausbildung benachbart dem Pilotthyristorteil liegt und eine einheitliche, in sich abgeschlossene Struktur darstellt, die von der Form des Folgethyristorteils weitgehend unabhängig ist. Es läßt sich also für jeden Leistungstyp des Thyristors stets die gleiche Störkompensationsausbildung in den Thyristor integrieren.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf einen Teilausschnitt des Thyristors;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Teilausschnitt der Fig. 1 und

Fig. 3 ein Potentialdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Thyristors.

Der optisch zündbare Thyristor besteht aus einem Pilotthyristorteil 1 und einem Folgethyristorteil 2. Der Thristor hat eine gemeinsame p-Emitterzone 3 mit einer Anodenmetallisierung 8, eine folgende, gemeinsame n- Hauptbasiszone 4, eine anschließende, gemeinsame p- Steuerbasiszone 5, eine anschließende n⁺-Emitterzone 6 des Folgethyristorteils 2 und eine n⁺-Emitterzone 7 des Pilotthyristorteils 1. Die n⁺-emitterzone 6 des Folgethyristorteils 2 ist mit einer Kathodenmetallisierung 9 versehen, während die n⁺-Emitterzone 7 und die p- Steuerbasiszone 5 über eine unsymmetrisch ausgebildete Metallisierung 10 miteinander verbunden sind derart, daß lediglich ein Teil 7a der n⁺-Emitterzone mit der p- Steuerbasiszone kurzgeschlossen ist. Die n⁺-Emitterzone 6 des Folgethyristorteils 2 ist mit Emitterkurzschlüssen 14 versehen. Die Zündung des Thyristors erfolgt durch optische Einstrahlung auf die Fläche 11 des n⁺-Emitters 7 des Pilotthyristorteils 1.

Die Wirkungsweise des Thyristors wird anhand der Fig. 3 näher erläutert. Dazu werden vier Flächenwiderstände in der p-Steuerbasis 5 sowie drei Kapazitäten, die von dem in Vorwärtsrichtung sperrenden pn-Übergang I gebildet werden, angenommen.

Für die nachfolgende Betrachtung wird angenommen, daß die Kathodenmetallisierung auf Null-Potential liegt. Die gestrichelte Kurve ϕopt,p stellt das bei optischer Einstrahlung in der p-Steuerbasiszone 5 auftretende Potential, die ausgezogene Kurve ϕcap,p das bei kapazitven Strömen in der p-Steuerbasiszone 5 auftretende Potential dar. Die optische Zündung wird somit eingeleitet durch die Potentialdifferenz Δϕopt und die Störzündung durch die Potentialdifferenz Δϕcap, die beide zwischen der n⁺- Emitterzone 7 und dem darunterliegenden Bereich der p- Steuerbasiszone 5 auftreten.

Die Struktur der p-Steuerbasiszone 5 ist zwecks Erzielung einer unmittelbar über den Emitterkurzschluß 10 wirksamen Störpotentialkompensation derart ausgebildet, daß sich die Flächenwiderstände R′₁, R′′₁, R′₂, R′′₂ und der im Einstrahlbereich liegende Kondensator C_iz sowie Kondensatoren C′_ir, C′′_ir ergeben.

Die etwa gleich großen Flächenwiderstände R′₂, R′′₂ liegen radialsymmetrisch in der p-Steuerbasiszone 5 unterhalb der n⁺-Emitterzone 7. Der Flächenwiderstand R′′₁ liegt etwa zwischen dem Rand der Metallisierung 10 und dem Emitterkurzschluß 14 der Emitterzone 6. Im relativ ausgedehnten Bereich der von der Metallisierung 10 bedeckten p- Steuerbasiszone 5 ist der Flächenwiderstand Null.

Es ergibt sich eine Parallelschaltung des Flächenwiderstandes R′₂ mit der Reihenschaltung der Flächenwiderstände R′′₂, R′′₁. Durch diese Widerstände wird der die optische Zündempfindlichkeit bestimmende Gesamtwiderstand festgelegt

R_opt = R′₂(R′′₂ + R′₁)/R′₂ + (R′′₂ + R′₁).

Erfolgt eine optische Einstrahlung in den Bereich 11, so tritt aufgrund des Fotostroms und der Flächenwiderstände R′₂, R′′₂ ein etwa kreissymmetrisches Potential ϕ_opt,p in der p-Steuerbasiszone 5 und eine geringe Potentialanhebung ϕ_opt,n+ der n⁺-Emitterzone 7 auf.

Treten kapazitiv erzeugte Ströme in der p- Steuerbasiszone 5 auf, so tritt aufgrund der unsymmetrischen Ausbildung dieser Zone und der aus den Kondensatoren C_iz und C′′_ir anfallenden, die Flächenwiderstände durchfließenden kapazitiven Ströme in der p-Steuerbasiszone 5 ein Potential ϕ_cap,p auf. Das Potential steigt vom Emitterkurzschluß 14′ der Emitterzone 6 bis zu einem Scheitelwert an, bleibt dann jedoch im Bereich der Metallisierung 10 im wesentlichen auf einem geringfügig abgesenkten Wert konstant und fällt erst außerhalb dieses Bereichs bis zum Emitterkurzschluß 14 im Bereich des Flächenwiderstandes R′′₁ ab. Die n⁺-Emitterzone 7 ist dabei auf das Potential ϕ_cap,n+ angehoben, so daß sich eine Potentialdifferenz Δϕ_cap ergibt, die nicht zum Zünden des Thyristors ausreicht.

Das Potential ϕ_cap,p entsteht, indem das Produkt der Glieder C′′_ir, R′′₁ angenähert gleich dem der Glieder C_iz · R′₂ gemacht ist.

Die Bemessung und Lage des Flächenwiderstandes R′′₁ hängt auch mit der Zündeigenschaft des Folgethyristorteils 2 zusammen; um eine gute Folgezündung zu erreichen, ist der Flächenwiderstand R′′₁ möglichst klein gewählt und entsprechend groß die Kapazität des Kondensators C′′_ir. Beides ist durch die etwa pilzförmige, die n⁺-Emitterzone 7 lediglich in deren Teil 7a und die p-Steuerbasiszone 5 nur einseitig bedeckende Metallisierung 10 erreicht.

Es liegt also durch die Metallisierung 10 ein unsymmetrischer, die n⁺- Emitterzone 7 mit dem benachbarten radialen Teil der p- Steuerbasiszone 5 lediglich einseitig verbindender Emitterkurzschluß vor, wobei die Metallisierung 10 in Verbindung mit der von ihr bedeckten p-Steuerbasiszone 5 einen Kondensator C′′_ir bildet, welcher derart mit dem zwischen der Berandung der Metallisierung 10 und Emitterkurzschluß 14 der n⁺- Emitterzone 6 des Folgethyristorteils 2 liegenden Flächenwiderstand R′′₁ der p-Steuerbasiszone 5 abgestimmt ist, daß bei Auftreten von kapazitiv erzeugten Strömen in der p- Steuerbasiszone 5 eine im Bereich der Metallisierung 10 wirksame und etwa dem Zündpotential entsprechende Potentialerhöhung auftritt, so daß die anliegende n⁺- Emitterzone 7 auf das Potential ϕ_cap,n+ gehoben wird und damit nur eine vernachlässigbare Potentialdifferenz Δϕ_cap vorliegt.

Die optische Einstrahlung bewirkt eine relativ geringe Potentialanhebung ϕ_opt,n+ der n⁺-Emitterzone 7, während die etwa kreisförmige Potentialanhebung ϕ_opt,p der p- Steuerbasiszone 5 groß ist, so daß sich eine erwünschte große Potentialdifferenz Δϕ_opt ergibt. Bei Auftreten von kapazitiv erzeugten Strömen hingegen ergibt sich eine große unsymmetrische Potentialanhebung ϕ_cap,n+ der n⁺-Emitterzone 7, so daß sich eine erwünschte kleine Potentialdifferenz Δϕ_cap einstellt. Die durch die optische Einstrahlung in der n⁺- Emitterzone 7 erzeugte Potentialanhebung ϕ_opt,n+ bleibt dagegen klein, da im gesamten, von der Metallisierung 10 bedeckten Bereich der p-Steuerbasiszone 5 kein Fotostrom fließt.

Claims

Thyristor, der aus einem optisch oder elektrisch zündbaren Pilotthyristor- und einem den Laststrom übernehmenden Folgethyristorteil besteht, mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps zwischen zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, einer ersten Emitterzone vom ersten Leitungstyp an der ersten Hauptoberfläche, einer darauf angeordneten Hauptbasiszone vom zweiten Leitungstyp, einer darauffolgenden Steuerbasiszone vom ersten Leitungstyp und in diese eingelassen an der zweiten Hauptoberfläche zwei Emitterzonen vom zweiten Leitungstyp, von denen die eine als Emitterzone des Folgethyristorteils Emitterkurzschlüsse aufweist und außerhalb der kreisscheiben förmigen Emitterzone des Pilotthyristorteils liegt, und bei dem eine elektrisch leitende Verbindung eines Teils der Emitterzone des Pilotthyristorteils mit einem Teil der an die zweite Hauptoberfläche tretenden Steuerbasiszone besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Verbindung aus einer flächenhaften, ausgedehnten Metallisierung (10) besteht, durch die der Teil (7a) der Emitterzone (7) des Pilotthyristorteils mit einem Teil eines direkt benachbart an die zweite Hauptoberfläche tretenden Bereichs der Steuerbasiszone (5) verbunden ist, daß der der Emitterzone (7) des Pilotthyristorteils benachbarte Bereich der Steuerbasiszone (5) in seiner Geometrie und in seinen Flächenwiderständen von der Radialsymmetrie abweichend ausgebildet ist, und
daß diese Flächenwiderstände der Steuerbasiszone (5) und die sich aus dem in Sperr-Richtung belasteten pn-Übergang (I) zwischen der Steuerbasiszone (5) und der Hauptbasiszone (4) ergebenden Kapazitäten so bemessen und verteilt sind, daß das Produkt der Größen C_ir′′ · R₁′′ angenähert gleich dem der Größen C_iz · R₂′ ist, und dabei der Flächenwiderstand R₁′′ im Rahmen der geometrischen und materialbedingten Ausgestaltungsmöglichkeiten möglichst klein und die Kapazität C_ir′′ entsprechend groß gewählt sind, wobei bedeuten:
C_ir′′ die unterhalb der auf der Steuerbasiszone (5) befindlichen Metallisierung (10) auftretende Kapazität,
C_iz die unterhalb der Emitterzone (7) des Pilotthyristorteils auftretende Kapazität,
R₁′′ den Flächenwiderstand der Steuerbasiszone (5) zwischen dem der Emitterzone (7) des Pilotthyristorteils abgewandten Rand der Metallisierung (10) und einem diesem Rand benachbarten Emitterkurzschluß (14) der Emitterzone (6) des Folgethyristorteils, und
R₂′ einen etwa radialsymmetrisch in der Steuerbasiszone (5) unterhalb der Emitterzone (7) des Pilotthyristor teils liegenden Flächenwiderstand.