DE2845895C3 - Thyristorelement mit geringer Freiwerdezeit und Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer bei demselben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thyristorelement für schnell schaltende Thyristoren, in dem zur Verringerung der Freiwerdezeit die Ladungsträgerlebensdauer mittels Rekombinationszentren niedrig — entsprechend einer gewünschten Zündfestigkeit gegenüber Spannungsanstieg der am Thyristorelement nach jedem Freiwerdevorgang in der Vorwärtsrichtung wiederkehrenden Spannung unterhalb der Emitterzone — eingestellt ist, mit einer eine Emitter- und eine Steuerbasiszone enthaltenden Zonenstrukiur und mit einer Emitterzone, die mit von der Steuerbasiszone ausgehenden Shortungskanälen durchsetzt ist; vgl. DE-OS 27 10 701. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung einer niedrigen Ladungsträgerlebensdauer bei einem scheibenförmigen Thyristorelement, wobei das mit metallischen Kontakten versehene anschließfertige Thyristorelement an einer Hauptfläche einer hierauf orthogonal gerichteten Elektronenstrahlung mit einer Energie größer als 1 MeV ausgesetzt wird.

Durch die DE-PS 14 89 087 ist ein Halbleiterbauelement, beispielsweise eine sogenannte Thyristorscheibe, mit verbessertem Frequenzverhalten und mit den oben angegebenen Strukturmerkmalen, jedoch ohne Shortungskanäle in der Emitterzone bekannt, sowie auch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelementes.

Zur Erzielung des verbesserten Frequenzverhaltens wird in dem bekannten Element die Freiwerdezeit ebenfalls durch Erniedrigung der Trägerlebensdauer verringert, und zwar dadurch, daß innerhalb seines stromdurchflossenen Volumens voneinander getrennte Bereiche oder ein rasterförmig zusammenhängender Bereich mit Rekombinationszentren in gegenüber dem angrenzenden Volumen der Emitterzone und der Steuerbasiszone höherer Konzentration angeordnet sind. Der oder die Bereiche werden durch Eindiffusion von z. B. Goldatomen oder durch Strahlungseinwirkung auf die Thyristorscheibe durch eine auf einer Hauptfläche des Elementes aufgebrachte Maske hindurch ausgebildet.

Die Bereiche verminderter Trägerlebensdauer sollen nur in geringer Tiefe unterhalb der n-Emitterzone wirksam sein und sollen (ausdrücklich) die beiden betriebswirksamen pn-Obergänge zwischen p-Basis- und η-Basiszone sowie η-Basis- und p-Emitterzone nicht beeinflussen, d. h. in dieser Tiefe soll keine lokale Verminderung der Trägerlebensdauer bewirkt werden. Es ist ferner durch die DE-OS 24 02 205 ein Verfahren zur Verringerung der Abschaltzeit eines Thyristors mit den eingangs genannten Strukturmerkmalen, und

wiederum ohne Shortungskanäle in der Emitterzone, bekannt Nach diesem Verfahren wird das betriebsfähige und bereits anschließfertig ausgebildete Thyristorelement an einer Hauptfläche ohne Maskierung einer hierauf orthogonal gerichteten Elektronenstrahlung mit einer Energie größer als 1 MeV ausgesetzt Dadurch wird im Volumen des Thyristorelements die Ladungsträgerlebensdauer räumlich nahezu homogen und nicht, wie oben erläutert, lokal verteilt erniedrigt Bei Anwendung einer Bestrahlungsdosis in der Größenordnung von 10¹⁴ Elektronen/cm² wird dadurch eine deutliche Verringerung der Abschaltzeit bewirkt, die jedoch mit einer starken Erhöhung des Durchlaßspannungsabfaüs einhergeht

Bei der Entwicklung von Thyristorelementen der eingangs angegebenen Art sowie auch von Thyristorelementen mit einer eine Emitterzone, eine Hilfsemitterzone und eine Steuerbasiszone enthaltenden Zonenstruktur war es erwünscht, durch eine lokal in einem Thyristorelement verteilte Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer die Freiwerdezeit zu verringern, ohne die Durchlaßspannung zu erhöhen.

Es ist ein Halbleiterelement mit den eingangs angegebenen Merkmalen, einschließlich der Shortungskanäle, das die gestellten Anforderungen erfüllt, und bei welchem Bauelement, wenn dessen gesamte Anodenseite in Bereichselemente mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist, außerdem der damit gegebene Sperrstrom verringert wird, durch die DE-OS 27 10 701 bekannt. Bei diesem Halbleiterbauelement ist nur ein Teil des Mittelgebiets in die Bereichselemente aufgeteilt, der Rest weist eine Konzentration an Rekombinationszentren auf, die niedriger ist als der durch diese Aufteilung festgelegte Mittelwert der Konzentration.

Im Unterschied zu diesem Stand der Technik liegt nun der Erfindung d«e weitergehende Aufgabenstellung zugrunde, die Freiwerdezeit hinreichend zu verringern, ohne den Zündstrom und die Einschaltverluste zu erhöhen, wobei von einem Thyristorelement mit den eingangs angegebenen Merkmalen ausgegangen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Strukturmerkmale gelöst, und zwar dadurch, daß die Ladungsträgerlebensdauer im Thyristorelement homogen und niedrig eingestellt ist und ferner in scharf umgrenzten, in sich abgeschlossenen Kleinbereichen, die längs des Emitterzonenrandes oder eines Teiles hiervon, der der Steuerelektrode zugekehrt ist, angeordnet und von diesem durchschnitten sind, die Ladungsträgerlebensdauer niedriger als im Vergleich zur homogenen eingestellt ist

Durch das DE-GM 76 33 327 sind Thyristorelemente mit zentral angeordneter Steuerelektrode und mit Shortungskanälen in der Emitterzone bekannt, die die Strukturmerkmale gemäß der Erfindung nicht aufweisen, bei welchen diese Shortungskanäle in einem an den Rand angrenzenden Gebiet der Emitterzone, der der Steuerelektrode zugekehrt ist, enger aneinander als im inneren Gebiet derselben angeordnet sind (sogenannte enge Randshortung). Damit wird bei jeweils gegebener Ladungsträgerlebensdauer in der Steuerbasiszone eine höhere Zündfestigkeit gegenüber der Anstiegsgeschwindigkeit der am Thyristorelement in der Vorwärtsrichtung wiederkehrenden Spannung erreicht. Die Maßnahme der engen Randshortung bewirkt aber andererseits, wie oben schon erwähnt, eine weitere Erhöhung des Steuer- bzw. Zündstromes, da der Emitterkurzschließwiderstand damit kleiner wird. Außerdem hat diese Maßnahme einen negativen Einfluß auf die zulässige Stromanstiegssteilheit des Thyristors und bringt höhere Einschaltverluste mit sich.
Vorteile der Anwendung der vorangehend angegebenen, erfindungsgemäßen Zonenstruktur sind nun darin zu sehen, daß bei Thyristorelementen mit Shortungskanälen des Emitters die Erhöhung des Steuer- bzw. Zündstromes verhindert wird, aber die erhöhung der

ίο Zündfestigkeit während des Ansteigers der wiederkehrenden Spannung infolge der engen Randshortung nicht geschmälert wird. Die Erhöhung des Steuer- bzw. Zündstromes kann bei der Zonenstruktur jedoch nur mit (bis zu) einer begrenzten Anzahl Kleinbereiche verhindert werden.

Bei Thyristorelementen mit einer eine Emitterzone, ferner eine Hilfsemitterzone und eine Steuerbasiszone enthaltenden Zonenstruktur, das heißt bei sogenannten Amplifying-Gate-Thyristoren, wird, einer weiteren Ausbildung der Erfindung entsprechend, die oben dargelegte Aufgabe, wenn beide Emitterzonen mit Shortungskanälen durchsetzt sind, durch die im Patentanspruch 2 gekennzeichneten Strukturmerkmale gelöst, nämlich ebenfalls dadurch, daß die Ladungsträgerlebensdauer im Thyristorelement homogen und niedrig eingestellt ist und ferner in scharf umgrenzten, in sich abgeschlossenen Kleinbereichen, die längs des Emitterzonenrandes oder eines Teiles hiervon, der der Hilfsemitterzone zugekehrt ist, angeordnet und von

jo diesem durchschnitten sind, die Ladungsträgerlebensdauer niedrig im Vergleich zur homogenen eingestellt ist, und daß die Shortungskanäle der Hilfsemitterzone in einem an den Rand oder einem Teil hiervon, der der Steuerelektrode zugekehrt ist, angrenzender. Bereich

J5 enger aneinander als im inneren Bereich derselben und enger als in der Emitterzone angeordnet sind.

Weiteren Ausbildungen der Erfindung entsprechend, erstrecken sich die Kleinbereiche, die längs des Emitterzonenrandes oder eines Teiles hiervon angeordnet sind, einerseits höchstens 1 mm von diesen in die Emitterzone und andererseits höchstens 0,5 mm vom Zonenrand in die Steuerbasiszone hinein (Anspruch 3).

Die sogenannte enge Randshortung der Emitterzone ist somit in die Hilfsemitterzone verlagert. Damit bleibt die erhöhte Zündfestigkeit des Thyristorelements erhalten, und es kann damit eine Erhöhung des Zünd- und Steuerstroms uneingeschränkt verhindert werden. Bei jedem Zündvorgang wird zuerst über den Hilfsemitter das Hilfsthyristorsystem mit normalem Steuerstrom, das heißt ohne erhöhten Steuerstrombedarf gezündet. Dabei wird der Anodenstrom des sogenannten Hilfsthyristors nicht einem Steuergenerator, der als solcher zur Entnahme des Steuerstromes für den eigentlichen Thyristor vorgesehen wird, entnommen, sondern nur der Stromquelle, die den Anodenstrom dieses Thyristors liefert.

Um dieses bei der Hilfsemitterzone, die eine enge Randshortung aufweist, zu erreichen, erhält gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Steuerelektrode

bo eine den Steuerstrom auf einen Teil des ihr zugekehrten Randes der Hilfsemitterzone konzentrierende Form, oder sie wird von einer den Steuerstrom konzentrierenden Blende umgeben (Patentanspruch 4).

Die Steuerelektrode ist z. B. kreisförmig und hat

b5 einen nasenförmigen Fortsatz (Patentanspruch 5). Sie kann auch kreisförmig sein und zum Teil durch eine über ihren Rand hinaus sich erstreckende η-leitende Zone von der Form eines offenen Kreisringes mit der

p-leitenden Steuerbasiszone verbunden sein (Patentanspruch 6). Bei Thyristorelementen mit zentraler Steuerelektrode ist es hingegen bekannt (DE-OS 20 03 104), diese Steuerelektrode mondförmig oder symmetrisch sternförmig zu gestalten.

Zur Einstellung einer niedrigen Trägerlebensdauer bei einem sehe benförmigen Thyristorelement mit den in den Patentansprüchen 1 oder 2 gekennzeichneten Merkmalen ist ein Verfahren anwendbar, bei dem das mit Elektroden versehene, anschließfertige Thyristorelement an einer Hauptfläche einer hierauf orthogonal gerichteten Elektronemstrahlung mit einer Energie größer als 1 MeV ausgesetzt wird. Dabei wird weiterhin erfindungsgemäß die Elektronenstrahlung mit einer Anzahl räumlich singulärer, scharf begrenzter Strahlenbündel, die einzeln auf die Hauptflächenteile über den abgeschlossenen Teilbereichen gerichtet sind, und mit einer Bestrahlungsdosis von 5 · 10^l3bis5 · 10¹⁴ Elektronen/cm² zur Einwirkung gebracht; der Bestrahlung mit Elektronen mit scharf begrenzten Strahlenbündeln geht eine Diffusion mit Gold oder Platin durch eine Hauptfläche in das nicht mit Elektroden versehene Thyristorelement voraus (Anspruch 7).

Eine lokale Erniedrigung kann zusätzlich auch in scharf begrenzten Kleinbereichen nahe der Steuerelektrode vorgesehen werden. Eine ins Gewicht fallende Vermehrung des Flächenanteils der Kleinbereiche insgesamt ergibt sich damit nicht, so daß die erfindungsgemäßen MaHnahmen der Niedrigeinstellung der Ladungsträgerlebensdauer jedenfalls keine Erhöhung des Durchlaßspannungsabfalls bewirken. Im Rahmen der Erfindung trägt das in Anspruch 7 gekennzeichnete Verfahren zur Einstellung einer niedrigen Ladungsträgerlebensdauer in scharf begrenzten abgeschlossenen Kleinbereichen eines Thyristorelements mit einem erheblichen Anteil zum Erfolg der Erfindung bei.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt <n

F i g. 1 einen Durchmesserquerschnitt durch ein Thyristorelement mit zentraler Steuerelektrode und mit einer ringförmigen Emitterzone,

F i g. 2 einen Durchmesserquerschnitt durch ein Thyristorelement mit zentraler Steuerelektrode und einer ringförmigen Emitterzone sowie einer ringförmigen Hilfsemitterzone,

F i g. 3 ein Thyristorelement nach F i g. 2 in Draufsicht auf die kathodenseitige Hauptfläche.

Der Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfin- so dung wird hier eine kurze Darstellung der physikalischen Vorgänge, die während der Freiwerdephase in einem Thyristorelement geschehen, vorangestellt

Man unterteilt die Freiwerdephase in vier Zeitabschnitte I bis IV, die wie folgt heißen:

Zeitabschnitt

I. Abkommutierungsphase ίο··-Ί

Π. Extraktions-Rekombinationsphase h.-.tj

III. Reine Rekombinationsphase t₂..-h

IV. Phase der wiederkehrenden r₃...fcj
Spannung mit positivem äU/dt

Während der Durchlaßphase, d. h. vor dem Zeitpunkt ta, sind die Basiszonen 13 und 14 eines Thyristors nach F i g. 1 und 2 mit Ladungsträgem beider Sorten überschwemmt. Zum Zeitpunkt fo beginnt die Abkommutierungsphase I, in der der Durchlaßstrom des Thyristors mit einem bestimmten negativen d//df auf Null heruntergefahren wird. Die Zeit zwischen to und U hängt von den Bedingungen des äußeren Stromkreises, jedoch nicht vom Thyristorelement ab.

Im Zeitpunkt fi (beim Stromnulldurchgang) ist die Ladungsträgerdichte in den Zonen 13 und 14 noch sehr hoch, und es fließt der Strom als überhöhter Sperrstrom über die pn-Übergänge J\ und J₃ weiter. Zunächst kann sich keine Sperrspannung an diesen pn-Übergängen aufbauen. Im Zeitpunkt f₂ ist die Trägerkonzentration in der Nähe der Übergänge /1 und /3 soweit abgebaut, daß diese Übergänge in Sperrichtung gepolt sind, so daß der überhöhte Sperrstrom abzufallen beginnt Die Zeit zwischen fi und fe kann wegen ihrer Kürze (1 bis 2 με) unberücksichtigt bleiben.

Da nun im Zeitpunkt fe die Übergänge /1 und J₃ in Sperrichtung gepolt sind, wird ein weiteres ungehindertes Abfließen der in hoher Konzentration in den beiden Basiszonen 13 und 14 vorhandenen Träger verhindert, so daß der überhöhte Sperrstrom abklingt Während der dann folgenden Extraktions-Rekombinationsphase II wird die L?cungsträgerdichte verringert Sie klingt in erster Näherung exponentiell mit einer Abklingkonstante τ, ab. Für den Kehrwert von tr, gilt

worin T„,_r die Extraktions-Zeitkonstante und τι,ι die Trägerlebensdauer bei hoher Trägerdichte bedeuten.

Ungefähr im Zeitpunkt t₃ beginnt die Phase III, von der ab eine weitere Extraktion von Elektronen durch das Bestehen einer p- Basispotentialbarriere verhindert wird. Die Ladungsträgerdichte in den Basiszonen 13 und 14 wird nun praktisch nur durch Rekombination verringert Im Zeitpunkt U ist die Trägerkonzentration in den Basiszonen 13 und 14 soweit abgebaut, mit einem bestimmten Spannungsanstieg dU/dt aufnehmen und sperren kann. Der Freiwerdevorgang ist damit beendet Die dann in den Zonen 13 und 14 noch vorhandene Trägerkonzentration wird im folgenden mit N_z bezeichnet

Die Freiwerdezeit i, des Thyristors ist im wesentlichen durch die Länge der Zeitabschnitte II und HI von t₂ bis U bestimmt, also

U ~ Ίι + Ί11 -

Für in und fm gelten Beziehungen mit N_n (Trägerkonzentration im Zeitabschnitt II) und Mn (Trägerkonzentration im Zeitabschnitt iii.

60 Hieraus sieht man, daß es im wesentlichen zwei Möglichkeiten zur Verringerung von t, gärt, nämlich einmal durch Erniedrigung von vu. wodurch iu nur wenig, im aber merklich erniedrigt wird, oder indem dafür gesorgt wird, daß die zulässige Trigerkonzentration N_z in den Zonen 13 und 14 bei in der Vorwärtsrichtung mit Anstieg dUfdt wiederkehrender Spannung noch groß sein kann, so daß <m verringert

wird. Von diesen Möglichkeiten wurde bisher die Thi -Erniedrigung praktiziert, sie hat eine Erhöhung des Durchlaßspannungsabfalls Ut zur Folge. *

Damit nun zur Anwendung der zweiten Möglichkeit die zulässige Restkonzentration N₁ von überschwemmenden Ladungsträgern groß sein kann, muß der Thyristor einen entsprechend großen »Vorwärts-Stromimpuls« tragen können (ohne durchzuzünden), der beim Wiederkehrspannungsanstieg dUldt als pulsartig erhöhter Vorwärts-Sperrstrom in Erscheinung tritt, dies kann mit einem hochwirksamen Emitterkurzschluß erreicht werden.

Die Wirksamkeit dieses Emitterkurzschlusses ist mit dem Kehrwert des »spezifischen Emitterkurzschluß-Widerstandes« darstellbar in der Beziehung

in der mit /_s die Stromdichte eines homogenen, verteilt gedachten Vorwärts-Sperrstromes nicht über den p-Basis-n+-Emitter-Übergang, sondern nur durch die Emitterkurzschlüsse abgeführt wird. Wegen der lateralen Ströme in der p-Basiszone 13 entsteht eine Potentialerhöhung, deren maximaler Wert in einem Bereich, der mit Emitterkurzschlüssen gleichmäßig belegt ist, in der angegebenen Beziehung mit U_n, bezeichnet ist. Bei einer nicht gleichmäßigen Belegung ist ebenfalls der maximale Wert zu nehmen.

Ein unbeabsichtigtes Zünden eines Thyristors tritt jeweils dann ein, wenn ein Sperrstrom oder ein d£//df-Stromimpuls oder etwa im Zeitpunkt u ein positiver sog. recovery-Stromimpuls ein Potential U_n, ergibt, das bei 25° C höher als 0,6 bis 0,7 V oder bei 125° C höher als 0,35 bis 0,4 V ist.

Soll nun der spezifische Emitterkurzschlußwiderstand gering ausgebildet werden, damit eine hohe Ladungsträger-Restkonzentration N₁, wie oben erläutert, zulässig ist, so müssen die Shortungskanäle 113 in der Emitterzone 11 bekanntlich, besonders in deren Randgebiet 114, das der Steuerelektrode G zugekehrt ist, sehr eng aneinander angeordnet sein (s. F i g. 1). Bei Anwendungen eines Thyristors zum Schalten im Kilohertz-Bereich ist eine solche »enge Shortung« wegen der dadurch bewirkten kleinen Zündausbreitungsgeschwindigkeit nicht vorteilhaft. Eine »enge Shortung« hat besonders in der Umgebung der Steuerelektrode Nachteile.

Wird an einer Zonenstruktur eines Thyristorelements 1 im Sperrzustand Vorwärtsspannung angelegt, so bildet sich parallel zum pn-übergang /2 eine Raumla-

H b

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strom als Löcherstrom zur Kathodenemitterzone 11 und als ein entsprechender Elektronenstrom zur Anodenzone 15 fließt Die Größe des Verschiebungsstromes hängt nach der Beziehung

I_C = C- dU/dt

von der Anstiegsgeschwindigkeit (Spannungsanstieg) der am pn-Übergang J₂ anliegenden Spannung ab.

Es sei nun die Dichte der Shortungskanäle 113 der Emitterzone 11 (Shortungsdichte) und somit der Widerstand in den Shortungskanälen so gewählt, daß alle in der p-Basiszone (Steuerbasiszone 13) als kapazitiver Verschiebungsstrom /_czur n-Emitterzone 11 fließenden Löcher über die Shortungskanäle abfließen können, jedoch die dazu erforderliche Spannung bzw. das Potential U_n, unterhalb von 0,6 bis 0,7 V bei 25° C oder 0,35 bis 0,4 V bei 125°C bleibt, so daß keine Injektion von Elektronen aus der η+-Emitterzone in die p-Basiszone hinein vor sich geht.

> Unterhalb (in Fig. 1) des Umgebungsgebietes der Steuerelektrode G entsteht beim Aufbau der Raumladungszone ein zum Innenrand 111 der ringförmigen Emitterzone fließender Löcherstrom und dadurch wiederum eine gegenüber dem inneren Emitterzonen-

1» gebiet höhere Löcherkonzentration, die bei genügend hoher Restkonzentration Λ/, ein Durchzünden des Thyristors bei wiederkehrender Spannung mit gegebenem dU/dt bewirkt. Zur Verhinderung einer Injektion von Elektronen am Innenrand der η+ -Emitterzone 11 muß die obenerwähnte Restkonzentration Λ/, verringert, also der Zeitabschnitt im der Rekombinationspnase verlängert werden, oder es muß in einem Gebiet längs des Emitterzonen-Innenrandes 111 die Dichte der Shortungskanäle 113 noch erhöht werden.

2» Eine Dichteerhöhung dieser Emitterinnenrandshortung bringt indessen erhebliche Nachteile für den Thyristor mit sich, da

a) falls in dem Gebiet längs des Emitterzonenrandes die Dichte der Shortungskanäle soweit erhöht wird,

daß alle als kapazitiver Verschiebungsstrom zum Randgebiet fließenden Löcher über die Shortungskanäle abfließen können, dies dann umgekehrt beim Einprägen eines Zündstromes ebenfalls geschieht. Der benötigte Zündstrom wird dann

nämlich unerwünscht groß.

b) falls ein verhältnismäßig großer Flächenanteil des Emitterinnenrandgebietes 114 mit Shortungskanälen belegt ist, die Zündung nur noch punktweise geschehen kann und die Zündausbreitungsge-

^3> schwindigkeit kleiner ist als bei wenig Shortungskanälen. Hohe Einschaltverluste ergeben sich als Folge hiervon, weil in den ersten μδ beim Einschalten die stromführende Fläche klein und die Stromdichte bei gegebenem Stromanstieg d//d/

entsprechend groß wird. Für im Kilohertz-Bereich schaltende Thyristoren ist das besonders im höheren Frequenzbereich nachteilig.

Die Nachteile infolge einer hohen Dichte der Shortungskanäle im Gebiet längs des Emitterzonenrandes 111 werden vermieden, und dennoch kann eine hohe Trägerdichte N₁ in der p-Basiszone zugelassen und damit eine geringe Freiwerdezeit erreicht werden, wenn in dem (zwischen Steuerelektrode G und Emitterzone 11 liegenden) Bereich B atomare Rekombinationszentren, beispielsweise Goldatome, anwesend sind und sich Bestrahlungsdefektzentren in scharf begrenzten Kleinbereichen b befinden, die längs des Emitterzonenrandes 111 in einem 03 bis 1 mm breiten Gebiet gleichmäßig angeordnet sind, und wenn ferner in den Bereichen b die Ladungsträgerlebensdauer τ durchgehend in den Zonen 13 und 14 erheblich niedriger als benachbart eingestellt ist In den Bereichen b ist die Rekombinationsrate hoch, und es wird während der Rekombinationsphase IH die

μ Trägerdichte schneller als im übrigen Volumen des Thyristors abgebaut Sie ist im Zeitpunkt U, wo im von G entfernten Bereich die zulässige Restladung N_z noch relativ groß ist, im Bereich um die Steuerelektrode soweit verringert, daß der sich am Emitterrand 111

f>5 konzentrierende kapazitive Verschiebungsstrom kein Durchzünden des Thyristorelementes mehr bewirken kann. Durch diese Maßnahmen können die oben angedeuteten Nachteile einer großen Dichte der

Shortungskanäle im Gebiet des Emitterzonenrandes weitgehend vermieden werden. Es wird durch diese Maßnahme der sogenannten lokalen r-Erniedrigung in den Bereichen b erreicht, daß in diesen Bereichen der Durchlaßspannungsabfall Ut nicht ansteigt, jedenfalls nicht größer als ohne diese Maßnahme wird, da die Oberflächenteile h der Bereiche b insgesamt klein sind im Vergleich zur Oberfläche der Emitterzone und zur Kathodenfläche K und daher praktisch zu vernachlässigen sind.

Die vorangehend beschriebene lokale τ-Erniedrigung kann verfahrenstechnisch mittels einer Elektronenbestrahlung des Thyristorelementes 1 an der kathodenseitigen Hauptfläche H erreicht werden, die mit orthogonal auf die Flächenteile h gerichteten Strahlenbündeln ε, die scharf begrenzt sind, durchführbar ist. In dem Bereich B der Basiszonen i3 und i4 hingegen kann τ mittels einer ganzflächigen Au-Diffusion, die der Elektronenbestrahlung vorausgeht, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Wie oben angedeutet, gelingt es, durch die Maßnahme der lokalen Niedrig-Einstellung die Freiwerdezeit in gewünschtem Ausmaß zu verringern, ohne den Durchlaßspannungsabfall zu erhöhen, und dieses Ziel ist bei einer beliebig vorgegebenen Anordnung und Dichte der Shortungskanäle 113 erreichbar.

Es sind der Maßnahme zur lokalen Niedrigeinstellung von τ in den Bereichen ödes Thyristorelementes jedoch Grenzen gesetzt, wenn, wie zumeist verlangt, die Zündempfindlichkeit des Bauelementes groß sein soll. Die Zündbedingung eines Thyristors ergibt sich bekanntlich nach der Beziehung

Ά =

L+ A, L

A₂)

Ia Anodenstrom des vorwärtsleitenden Thyristors;

lco aus der Raumladungszone am pn-übergang J₂ abfließender Löcher- bzw. Elektronenstrom;

A\ Stromverstärkungsfaktor des n⁺pn-Transistorteiles des Thyristors;

A₂ Stromverstärkungsfaktor des pnp-Transistorteiles des Thyristors;

Iz für Zündung erforderlicher Steuerstrom (Zündstrombedarf).

Mit der Verringerung von τ im Bereich B sowie in den Kleinbereichen b werden die Faktoren A\ und A₂ kleiner. /«, und/oder I_s müssen dann größer werden, damit der Thyristor wieder zünden kann, wobei der Anodenstrom I_A größer als der sog. Einraststrom des Thyristors wird. Die Erhöhung des Ladungsträgerstromes fco bedingt jedoch eine größere Spannung am pn-übergang J₂, so daß die zum Zünden des Thyristors erforderliche Anoden-Kathodenspannung größer wird. Das ist in vielen Anwendungen nicht erwünschst

Soll nun die infolge der lokalen Niedrig-Einstellung von τ in den Bereichen b gehemmte Zündfähigkeit des Thyristors nur über eine entsprechende Steuer- bzw. Zündstromerhöhung verbessert werden, so hat sich gezeigt, daß Zündströme von 1 bis 2 A benötigt werden, sofern die Trägerlebensdauer τ im Randgebiet 114 der Emitterzone 11 so niedrig eingestellt wird, daß hier kein Durchzünden des Thyistors beim Freiwerdevorgang möglich ist. Thyristoren geringer Freiwerdezeit, bei denen der Zündstrombedarf groß ist, können indessen für manche Thyristoranwendungen ebenso wenig akzeptiert werden, wie auf Thyristoren mit geringer Freiwerdezeit verzichtet werden kann.

Es wird nun eine aus den oben aufgezeigten Maßnahmen der lokalen Niedrig-Einstellung von τ in Thyristorelementen 1 nach Fig. 1 entwickelte Lösung

ίο dieses Problems gesehen, die bei einem sogenannten Amplifying-Gate-Thyristor 1 nach F i g. 2 und 3 anzuwenden ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind in einem (zwischen einer Hilfsemitterzone 12 und der Emitterzone 11 liegenden) Bereich S'atomare Rekombinations-Zentren, z.B. Gold, anwesend, und es befinden sich Bestrahlungsdefektzentren wiederum in scharf begrenzt abgeschlossenen Teilbereichen b, die iängs des Randes 111 der Emitterzone 11 (der hier der Zone 12 zugewandt ist) gleichmäßig verteilt angeordnet sind; ferner sind bei der Hilfsemitterzone 12 die Shortungskanäle 123 in einem Gebiet 124 des Randes 121 dieser Zone, der der Steuerelektrode G zugekehrt ist, enger und dichter aneinander als im inneren Zonengebiet angeordnet. Demgegenüber ist die Emitterzone 11 mit wenigen und gleichmäßig voneinander beabstandeten Shortungskanälen 113 durchsetzt, so daß das oben erläuterte Potential U_m bei gegebenem Spannungsanstieg dU/dt kleiner als die zur Injektion von Elektronen aus der η+ -Emitterzone 11 erforderliche Spannung ist. Im Bereich B' (zwischen den Zonen 12 und 11) wird die Träger'.ebensdauer τ, ζ. B. durch eine Eindiffusion von Goldatomen durch die Hauptfläche H des Elementes, gleich niedrig wie im übrigen Volumen eingestellt. In den Kleinbereichen b hingegen wird τ mittels einer Elektronenbestrahiung niedriger eingestellt, die aus einzelnen, orthogonal auf die Hauptflächenteile h' gerichteten Strahlenbündeln ε besteht. In der Hilfsemitterzone 12 sind die Shortungskanäle 123 im Randgebiet 124 so eng aneinander angeordnet, daß der Thyristor beim Spannungsanstieg d UId t der wiederkehrenden Vorwärtsspannung nicht unbeabsichtigt gezündet wird. Falls die Shortungskanäle 123 im Randgebiet 124 der Zone 12 sehr eng aneinander geordnet sind, kann auch bei einem Thyristorelement 1 nach F i g. 2 der zum Zünden benötigte Steuer- bzw. Zündstrom noch unerwünscht groß werden. Dies kann jedoch durch eine besondere Formgebung des Steuerelektrode-Hilfsemittersystems mit Hilfskathode K' vermieden werden. Ein Beispiel dafür zeigt Fig.3. Die kreisförmige

so Steuerelektrode G hat einen Fortsatz G\ der bewirkt, daß sich der von G zur Zone 12 fließende Steuerstrom auf einen bevorzugten Teil des Zonenrandes 121 konzentriert, wodurch der Zündstrombedarf wieder verringert wird. Diese Maßnahme bewirkt zwar, daß das System (G, 12) nur punktweise gezündet wird; der Steuerstrom ist dafür aber ziemlich klein (einige 100 mA) und fließt nur kurzzeitig, so daß hierbei keine thermische Überlastung von Bedeutung und damit auch keine Zerstörungsgefahr auftritt

Durch diese Formgebung kann das Steuerelektrode-Hilfsemittersystem (G, 12) leichter gezündet werden, ohne daß ein hoher Steuerstrom eingeprägt werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thyristorelement für schnell schaltende Thyristoren, in dem zur Verringerung der Freiwerdezeit die Ladungsträgerlebensdauer mittels Rekombinationszentren niedrig — entsprechend einer gewünschten Zündfestigkeit gegenüber Spannungsanstieg der am Thyristorelement nach jedem Freiwerdevorgang in der Vorwärtsrichtung wiederkehrenden Spannung unterhalb der Emitterzone — eingestellt ist, mit einer eine Emitter- und eine Steuerbasiszone enthaltenden Zonenstruktur und mit einer Emitterzone, die mit von der Steuerbasiszone ausgehenden Shortungskanälen durchsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Thyristorelement (1) homogen und niedrig (ri) eingestellt ist und ferner in scharf umgrenzten, in sich abgeschlossenen Kleinbereichen (b), die längs des Emitterzonenrandes (Hl) oder eines Teiles hiervon, der der Steuerelektrode (G) zugekehrt ist, angeordnet und von diesem (111) durchschnitten sind, die Ladungsträgerlebensdauer niedriger (τ₂) als im Vergleich zur homogenen (τι) eingestellt ist.

2. Thyristorelement nach Anspruch 1, mit einer eine Emitter-, eine Hilfsemitterzone und eine Steuerbasiszone enthaltenden Zonenstruktur und mit Emitterzonen, die mit von der Steuerbasiszone ausgehenden Shortungskanälen durchsetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterzonenrand (111), längs dessen die Kleinbereiche ^angeordnet sind, der Hilfsemitterzone (12) zugekehrt ist und daß die Shortungskanäle (123) der Hilfsemitterzone (12) in einem an den Rand (121) oder einem Teil hiervon, der der Steuerelektrode (G) zugekehrt ist, angrenzenden Bereich (124) enger aneinander als im inneren Bereich derselben und enger als in der Emitterzone (H) angeordnet skid.

3. Thyristerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kleinbereiche (b), die längs des Emitterzonenrandes (111) oder eines Teiles hiervon angeordnet sind, einerseits höchstens 1 mm von diesen in die Emitterzone (11) und andererseits höchstens 0,5 mm vom Zonenrand (111) in die Steuerbasiszone (13) hinein erstrecken.

4. Thyristorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (G) eine den Steuerstrom auf einen Teil des ihr zugekehrten Randes (123) der Hilfsemitterzone (12) konzentrierende Form aufweist oder von einer den Steuerstrom konzentrierenden Blende umgeben ist.

5. Thyristorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (G) kreisförmig ist und einen nasenförmigen Fortsalz (G') aufweist.

6. Thyristorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (G) kreisförmig ist und zum Teil, durch eine über ihren Rand hinaus sich erstreckende η-leitende Zone (16) von der Form eines offenen Kreisringes mit der p-leitenden Steuerbasiszone (13) verbunden ist.

7. Verfahren zur Einstellung einer niedrigen Trägerlebensdauer bei einem Thyristorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mit metallischen Kontaktschichten versehene, anschließfertige Thyristorelement an einer Hauptfläche einer hierauf orthogonal gerichteten Elektronenstrahlung mit

einer Energie größer als 1 MeV ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlung mit einer Anzahl räumlich singulärer, scharf begrenzter Strahlenbündel (ε), die einzeln auf die Hauptflächenteile (h) über den abgeschlossenen Teilbereichen (b) gerichtet sind, und mit einer Bestrahlungsdosis von 5 · 10¹³ bis 5 · 10^M Elektronen/cm² zur Einwirkung gebracht wird und daß eine Diffusion mit Gold oder Platin durch eine Hauptfläche (H) in das nicht mit Elektroden versehene Thyristorelement (1) der Bestrahlung mit Elektronen mit scharf begrenzten Strahlenbündeln (ε) vorausgeht