DE3102916A1

DE3102916A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE3102916A1
Application number: DE19813102916
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hagimura; Yoshiyuki Tokyo Hirose; Kotaro Chofu Tokyo Kato; Haruo Mori; Jun Ueda
Original assignee: Nippon Telegraph & Telephone Public Corp Tokyo; Nippon Telegraph and Telephone Corp; Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Nippon Telegraph And Telephone Corp Oki Electric
Priority date: 1980-02-04
Filing date: 1981-01-29
Publication date: 1981-12-10
Also published as: DE3102916C2; GB2070330A; GB2070330B; JPS56110263A; JPH0126190B2

Description

OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. Minato-ku, Tokyo, Japan NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION,

Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Thyristor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor oder ein Thyristorelement und befaßt sich insbesondere mit einem einzelnen Thyristor oder Thyristor-Einzelbauelement, wie es beispielsweise in Hochspannungssteuereinrichtungen verwendet wird.

Die Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit, die eine der Kenneigenschaften eines Thyristors ist, hängt von der Stärke des Steuer- oder Gate-Stroms ab, der erforderlich ist, um zwischen der Anode und Kathode des Thyristors einen Strom fließen zu lassen. Im Falle einer hohen Gate-Empfindlichkeit benötigt man somit nur einen kleinen Gate-Strom um den Thyristor zu zünden oder einzuschalten, wohingegen bei einer kleinen Gate-Empfindlichkeit ein hoher Gate-Strom zur Zündung des Thyristors benötigt wird.

Die Gate-Empfindlichkeit kann man mit einem Nebenschlußwiderstand einstellen, der zum Abzweigen eines Teils des Gate-Stroms mit der Gate-Elektrode und der Kathoden-Elektrode des Thyristors verbunden ist. Die Gate-Empfindlichkeit ist hoch, wenn der Nebenschlußwiderstand groß ist. Umgekehrt ist die Gate-Empfindlichkeit niedrig, wenn der Nebenschlußwiderstand klein ist.

Eine andere Kenneigenschaft, die das Verhalten eines Thyristors charakterisiert, ist die ~£ - Festigkeit. Dabei ist V die zwischen der Anode und Kathode anliegende Spannung. Wenn für eine sehr kurze Zeitperiode, beispielsweise in der Größenordnung von 1/us oder weniger, eine Spannung zwischen

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die Anode und Kathode des Thyristors gelegt wird, bildet sich augenblicklich ein von der Anoden-Elektrode ausgehender und durch die Übergangsstellen des Thyristorelements gehender elektrischer Stromkreis aus, durch den ein transienter Strom fließt. Ein Teil dieses transienten Stroms fließt auch als Gate-Strom durch das Gate und die Kathode des Thyristors und versucht das Thyristorelement zu zünden, selbst wenn über die Gate-Elektroden ein normaler Gate-Strom nicht zugeführt wird.

Das Anlegen einer Spannung mit einer extrem kurzen Anstiegszeit an die Kathode und Anode des Thyristors kann somit zu einer Fehloperation des Thyristors führen. Solche Fehloperationen stellen insbesondere bei Thyristorelementen, die eine hohe Spannungsfestigkeit haben, ein ernstes Problem dar.

Um die erläuterte unerwünschte Erscheinung zu vermeiden, ist es erforderlich, den Wert des Nebenschlußwiderstands zwischen dem Gate und der Kathode herabzusetzen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils einen herkömmlichen Thyristor mit einer eindiffundierten P-Zone 1 bzw. 9, die als Anodenzone wirkt, einer eindiffundierten P-Zone 3 bzw. 11, die als P-Gate-Zone-wirkt, einer N-Zone 2 bzw. 11 sowie einer eindiffundierten N-Zone 4 bzw. eindiffundierten N-Zonen 12 und 13, die als Kathodenzonen wirken. Der Thyristor enthält ferner eine Anoden-Elektrode 7 bzw. 16, einen Anodenanschluß 7¹ bzw. 16', eine Kathoden-Elektrode 6 bzw. 14, einen Kathodenanschluß 6^f bzw. 14', eine Steuer- oder Gate-Elektrode 5 bzw. 15, einen Steuer- oder Gate-Anschluß 5¹ bzw. 15', eine Isolierschicht 17 bzw. 19 und einen externen Nebenschlußwiderstand 8, der zwischen die Gate- und Kathodenanschlüsse 5' und 6' geschaltet ist.

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Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Thyristor handelt es sich um ein übliches Thyristorelement, dessen Funktionsweise derart ist, daß nach dem Anlegen eines positiven Potentials an die Anoden-Elektrode 7 und eines demgegenüber negativen Potentials an die Kathoden-Elektrode 6 der Thyristor gezündet wird, wenn über die Gate-Elektrode 5 ein Strom zugeführt wird. Bei dem externen Widerstand 8 handelt es sich um einen Nebenschlußwiderstand, der zum Einstellen der Gate-Empfindlichkeit dient.

Erhöht man Jedoch bei diesem üblichen Thyristor den Wert des Widerstands 8, um die Gate-Empfindlichkeit zu verbessern, nimmt die jj-jr -Festigkeit ab. Darüber hinaus verursacht das Anlegen einer schnell ansteigenden Vorwärtsspannung an die Anschlüsse 7' und 6' die Erzeugung eines transienten Stroms, der durch den PN-Übergang zwischen den Zonen 2 und 3 fließt und dabei als Gate-Strom wirkt, wodurch der Thyristor gezündet wird, selbst wenn kein Strom in den Gate-Anschluß 5' fließt. Um einen Thyristor mit einer hohen Gate-Empfindlichkeit und gleichzeitig hohen -rr -Festigkeit zu schaffen, ist somit eine externe Schaltung erforderlich, die den Widerstand zwischen dem Gate-Anschluß 5' und dem Kathoden-Anschluß 6^! nur dann vermindert, wenn zwischen die Anode und Kathode eine transiente Spannung gelegt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Thyristors mit kurzgeschlossenem Emitter. Hierbei sind die einen Nebenschlußwiderstand im Element darstellende P-Diffusionszone 12 und die N-Diffusionszone 13 durch die Elektrode 14 kurzgeschlossen. Da der Nebenschlußwiderstand den internen Widerstand in der P-DIffusionszone benutzt, ist es praktisch sehr schwierig, einen Widerstand von mehr als einigen Kiloohm auszubilden. Obgleich der in der Fig. 2 gezeigte Thyristor eine hohe -rr -Festigkeit hat, ist er mit dem Nachteil einer extrem geringen Gate-Empfindlichkeit behaftet.

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In der Fig. 3 ist ein weiterer herkömmlicher Thyristor dargestellt. Dieses zur Ansteuerung mit Licht geeignete Transistorelement wird vor allem in Integrierschaltungen eingesetzt und hat sowohl eine hohe Gate-Empfindlichkeit als auch eine hohe g^r -Festigkeit. Der gezeigte Thyristor enthält eine Diffusionsschicht 53 vom P-Typ, die als Anodenzone wirkt, eine Diffusionsschicht 54 vom P-Typ, die als P-Gate-Zone wirkt, eine Diffusionsschicht 55 vom N-Typ, die als Kathodenzone und als Source-Zone eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (MOS-FET) wirkt, eine Diffusionsschicht 56 vom N-Typ, die als Drain-Zone des MOS-FET wirkt, eine Anoden-Elektrode 57, einen Anodenanschluß 57', eine Kathoden-Elektrode 58, einen Kathodenanschluß 58', eine Steuer- oder Gate-Elektrode 59, die so verbunden ist, daß sie auf dem gleichen Potential wie die Anoden-Elektrode 57 liegt, eine polykristalline Siliciumelektrode 60, die als Gate-Elektrode des MOS-FET wirkt, einen Widerstand 61, der durch Verändern der Gestalt eines Teils der polykristallinen Siliciumelektrode 60 gebildet ist, eine P-Gate-Elektrode 62, über die die Diffusionsschichten 54 und 56 mit dem einen Ende des Wider-stands 61 verbunden sind, eine Isolierschicht 63, eine Halbisolierschicht 64, einen Widerstand 67 und ein Substrat 68 vom N-Typ. Die Gate-Elektrode 59 und die polykristalline Siliciumelektrode 60 bilden zwischen sich einen Kondensator C₁, wohingegen die polykristalline Siliciumelektrode 60 und die Diffusionsschichten 54, 55 und 56 zwischen sich einen Kondensator Cp bilden.

Wenn bei diesem Thyristorelement ein positives Potential an der Anoden-Elektrode 57 liegt und dann ein demgegenüber negatives, schnell ansteigendes Potential an die Kathoden-Elektrode 58 gelegt wird, fließt ein transienter Strom durch den übergang zwischen der P-Diffusionsschicht 54 und dem Substrat 68 vom N-Typ, und das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 60 steigt auf einen durch die Spannungsteilerwirkung der Kondensatoren C₁ und Cp bestimmten

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Wert an, wobei auf der Oberfläche der P-Diffusionsschicht

54 zwischen den N-Diffusionsschichten 55 und 56 eine N-Kanalschicht gebildet wird, die die N-Diffusionsschichten

55 und 56 miteinander kurzschließt.

Der von der N-Diffusionsschicht 68 zur P-Diffusionsschicht 54 gerichtete transiente Strom fließt folglich von der P-Elektrode 62 durch die N-Diffusionsschicht 56, dann durch die N-Kanalschicht und die N-Diffusionszone 55 zur Kathoden-Elektrode 58. Die Folge davon ist, daß die Gate-Elektrode 62 und die Kathoden-Elektrode 58 kurzgeschlossen werden, so daß der Thyristor nicht zündet und demzufolge eine hohe rrr -Festigkeit zeigt.

Da es möglich ist, die Lade- und Entladezeiten einer von der polykristallinen Siliciumelektrode 60 angesammelten Ladung durch den Widerstand 61 und die Kondensatoren C₁ und C₂ zu steuern, kann man den Thyristor so konstruieren, daß er nur bei einer schnell ansteigenden Eingangsspannung in der oben beschriebenen Weise arbeitet, hingegen bei einer im stationären Zustand befindlichen Gleichspannung oder bei einer zwischen Anode und Kathode auftretenden Wechselspannung niedriger Frequenz, wie es normalerweise üblich ist, die oben beschriebene Arbeitsweise nicht ausführt. Wenn somit beim Anlegen einer Spannung zwischen die Kathode und Anode normale Zustände auftreten oder erreicht sind, hat die polykristalline Siliciumelektrode 60 das gleiche Potential wie die P-Diffusionsschicht 54, so daß es möglich ist, den Thyristor -mit einer durch den Nebenschlußwiderstand 67 bestimmten Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit zu zünden, und zwar dadurch, daß der Übergang zwischen den Schichten 54 und mit Licht bestrahlt wird.

Ein derartiges Thyristorelement hat einen monolithischen Aufbau, und die Anoden-Elektrode 57 und die Gate-Elektrode sind über der Isolierschicht 63 durch Oberflächenverdrahtung

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miteinander verbunden. Durch das Potential der Oberflächenverdrahtungsschicht wird unmittelbar unter der Verdrahtungsschicht eine Verarmungsschicht erzeugt, die zwischen den P-Diffusionsschichten 53 und 54 Durchreich- oder Durchgreiferscheinungen hervorruft, so daß es notwendig ist, eine Halbisolatorschicht 64 vorzusehen. Da der in der Fig. 3 gezeigte Thyristor einen planaren Aufbau hat, nimmt er eine große Elementfläche ein, und die Ausdehnung der Verarmungsschicht ist auf die Nähe der Oberfläche beschränkt, so daß es praktisch völlig unmöglich ist, eine Abhaltespannung von mehr als 500 V zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor zu schaffen, der sich gleichzeitig durch geringe Abmessungen, eine hohe Durchbruchspannung, eine hohe Gate-Empfindlichkeit und eine hohe rrr -Festigkeit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein nach der Erfindung ausgebildeter Thyristor gekennzeichnet durch eine Anoden-Elektrode, eine auf der Anoden-Elektrode angeordnete erste Halbleiterschicht vom P-Typ, eine auf der ersten Halbleiterschicht vom P-Typ angeordnete Halbleiterschicht vom N-Typ, eine auf der Halbleiterschicht vom N-Typ angeordnete zweite Halbleiterschicht vom P-Typ, eine durch Diffusion in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht vom P-Typ ausgebildete erste N-Diffusionszone, eine durch Diffusion in der zweiten Halbleiterschicht vom P-Typ ausgebildete zweite N-Diffusionszone, die einen vorbestimmten Abstand von der ersten N-Diffusionszone hat, eine erste Gate-Isolierschicht, die auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht vom P-Typ zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone ausgebildet ist und Teile der ersten und der-zweiten N-Diffusionszone überdeckt, eine auf einer Oberfläche der ersten Gate-Isolierschicht zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone ausgebildete erste Gate-Elektrode, eine zweite Gate-Elektrode, die in Berührung mit einer Oberfläche der

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zweiten Halbleiterschicht vom P-Typ und mit einer Oberfläche der zv/eiten N-Diffusionszone steht, eine Kathoden-Elektrode, die in Berührung mit einer Oberfläche der ersten N-Diffusionszone steht, eine Widerstandszone, die auf der ersten Gate-Isolierschicht so angeordnet ist, daß sie die erste Gate-Elektrode mit der zweiten Gate-Elektrode oder mit der Kathoden-Elektrode elektrisch verbindet, eine auf der Widerstandszone und der ersten Gate-Elektrode angeordnete zweite Gate-Isolierschicht und eine oberhalb der ersten Gate-Elektrode auf der zweiten Gate-Isolierschicht angeordnete dritte Gate-Elektrode. Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone eine hochohmige Zone vorgesehen.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. Es zeigt:

FIG. 1, 2 und 3 Querschnitte durch verschiedene Arten von Thyristoren nach dem Stand der Technik,

F I G . 4a einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines nach der Brfindung ausgebildeten Thyristors,

P I G . 4B ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 4A dargestellten Ausführungsbeispiels,

F I G . 5A einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten Thyristors und

FIG. 5B ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 5A dargestellten Ausführungsbeispiels.

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- ίο -

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten Thyristors oder Thyristorelements enthält unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B eine P-Zone 21 (erste Halbleiterzone vom P-Typ), die als Anoden-Zone wirkt und an einer mit einem Anodenanschluß 28' versehenen Anoden-Elektrode 28 angebracht ist, eine N-Zone 22 (Halbleiterschicht .vom N-Typ), die auf der P-Zone 21 angeordnet ist, eine P-Zone 23 (zweite Halbleiterschicht vom P-Typ), die auf der N-Zone 22 angeordnet ist und als Gate- oder Steuer-Zone vom P-Typ wirkt, eine durch Diffusion erzeugte N-Schicht 24 (erste diffundierte N-Schicht), die als Kathoden-Zone und Source-Zone eines MOS-FET wirkt, wobei die Source-Zone durch Diffusion in einen vorbestimmten Abschnitt einer Oberfläche der P-Zone 23 entstanden ist, und eine durch Diffusion erzeugte N-Zone 25 (zweite diffundierte N-Zone), die als Drain-Zone des MOS-FET wirkt, wobei die Drain-Zone durch Diffusion in einen anderen vorbestimmten Abschnitt der Oberfläche der P-Zone 23 entstanden ist, wobei sich dieser Abschnitt an einer Stelle befindet, die um eine vorbestimmte Strecke von der diffundierten N-Zone 24 entfernt ist. Eine Isolierschicht 31 deckt einen vorbestimmten Teil der Oberfläche der P-Zone 23 ab, in die die N-Zonen 24 und 25 eindiffundiert sind. Derjenige Teil der Isolierschicht 31, der die Oberfläche der P-Zone 23 zwischen den diffundierten N-Zonen 24 und 25 sowie Teile der Zonen 24 und 25 abdeckt, ist mit dem Bezugszeichen 36 gekennzeichnet und wird erste Gate- oder Steuerisolierschicht genannt. Eine polykristalline Siliciumelektrode 32 vom N-Typ (erste Gate- oder Steuerelektrode), die als Gate-Elektrode des MOS-FET benutzt wird, ist auf der ersten Gate-Isolierschicht 36 zwischen den eindiffundierten N-Schichten 24 und 25 angeordnet. Ein Widerstand 33 (Widerstandszone), der ebenfalls aus polykristallinen! Silicium vom N-Typ besteht, ist so angeordnet, daß er in Berührung mit der polykristallinen Siliciumelektrode 32 auf der ersten Gate-Isolierschicht 36 steht, und eine zweite Gate-Isolierschicht 35 ist auf der polykristallinen Siliciumelektrode 32 und

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dem Widerstand 33 angeordnet. Weiterhin befindet sich auf der zweiten Gate-Isolierschicht 35 eine Elektrode 29 (dritte Gate-Elektrode), und zwar oberhalb der polykristallinen Siliciumelektrode 32. Die Elektrode 29 ist mit einem Anschluß 29' verbunden, dem das gleiche Potential wie dem Anoden-Anschluß 28' aufgedrückt wird.

Eine Elektrode 27 vom P-Typ (zweite Gate-Elektrode) ist auf der P-Zone 23 und der diffundierten N-Zone 25 angeordnet und elektrisch mit einem P-Gate-Anschluß 27' verbunden. Die Widerstandszone oder der Widerstand 33 befindet sich auf der Gate-Isolierschicht 36 in einer solchen Position, daß er die Gate-Elektrode 27 vom P-Typ und die polykristalline Siliciumelektrode 32 elektrisch miteinander verbindet. Eine Kathoden-Elektrode 26 steht mit der eindiffundierten N-Zone 24 in Berührung und ist mit einem Kathodenanschluß 26' verbunden. Die Kathoden-Elektrode 26 und die P-Gate-Elektrode 27 sind über einen externen Widerstand 34 miteinander verbunden.

Angesichts des erläuterten Aufbaus wird zwischen der Elektrode 29 und der polykristallinen Siliciumelektrode 32 ^r^ ein Kondensator C₁ ausgebildet. Gleichermaßen wird zwischen der polykristallinen Siliciumelektrode 32 und den Zonen 23> 24 und 25 ein Kondensator C₂ ausgebildet.

Legt man an den in der Fig. 4A dargestellten Thyristor eine schnell ansteigende Eingangsspannung mit einer Polarität, entsprechend der der Anoden-Anschluß 28· positiv und der Kathoden-Anschluß 26'-negativ vorgespannt wird, und ist die aus dem Widerstand 33 und den Kondensatoren C₁ und C₂ bestimmte Zeitkonstante größer als die Anstiegs- oder Aufbauzeit dieser Spannung, steigt das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 32 bezüglich der Eingangsspannung auf einen Wert an, der durch das Verhältnis zwischen den Kondensatoren C^ und C₂ bestimmt ist. Ist die Oberflächenverunreinigungs- oder Oberflächenstörstellenkonzentration der P-

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Zone 23 gering, wird die Oberfläche der P-Zone 23 unmittelbar Unter der polykristallinen Siliciumelektrode 32 in den N-Typ umgekehrt, so daß die eindiffundierten N-Zonen 24 und 25 und damit die Zonen 24 und 23 im wesentlichen das gleiche Potential aufweisen. Der Thyristor wird daher nicht gezündet oder eingeschaltet, und infolge der -rar -Festigkeit tritt keine Fehlsteuerung oder Fehloperation auf, was auf die Abnahme der Impedanz zwischen dem Gate und der Kathode zurückzuführen ist.

Wenn andererseits die Aufbau- oder Anstiegszeit der Spannung, die an den Anoden-Anschluß 28' und den Kathoden-Anschluß 26· gelegt wird, größer als die Zeitkonstante ist, die durch den Widerstand 33 und die Kondensatoren C₁ und C₂ bestimmt ist, oder wenn es sich bei der angelegten Spannung um eine Gleichspannung handelt, steigt das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 32 angesichts der durch den Widerstand 33 und die Kondensatoren C₁ und Cp bestimmten Zeitkonstanten nicht an, so daß die Elektrode 32 das gleiche Potential wie die P-Zone 23 hat. Aus diesem Grunde wird zwischen den N-Diffusionsschichten 24 und 25 keine N-Inversionsschicht ausgebildet. Wenn folglich ein normaler Steuer- oder Gate-Strom durch den P-Gate-Anschluß 27* geleitet wird, wirkt die P-Zone 21 als Anoden-Elektrode, die N-Zone 22 als N-Gate, die P-Zone 23 als P-Gate und die eindiffundierte N-Schicht als Kathoden-Elektrode. Die Steueroder Gate-Empfindlichkeit kann in diesem Fall durch den externen Widerstand 34 gesteuert werden. Selbst wenn man den Wert des externen Widerstands 34 zum Zwecke der Verbesserung der Gate-Empfindlichkeit erhöht, kann die hohe ^r Festigkeit aufrechterhalten werden.

Die oben erläuterte Funktionsweise soll im folgenden an Hand von konkreten Daten im einzelnen dargelegt werden. Es soll beispielshalber ein Fall betrachtet werden, bei dem eine an den Thyristor zwischen die Anode und Kathode ange-

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legte Spannung in einigen Mikrosekunden von O auf 500 V ansteigt und bei dem das Verhältnis zwischen den Kondensatoren C₁ und Cp etwa 20 beträgt (C₁ =0,5 pF, Cp = 10 pF) und der Widerstand 33 einen Wert von 10 MiI hat. Die geteilte Spannung zwischen der Kathoden-Elektrode 26 und der polykristallinen Siliciumelektrode 32 nimmt dann einen Wert von etwa 20 V an, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Zeitkonstante aus dem Widerstand 33 und dem Kondensator C₁ größer als die steile Aufbauzeit der Spannung ist. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen den N-Diffusionszonen 24 und 26 auf der Oberfläche der P-Diffusionszone 23 eine ausreichende N-Inversionsschicht auszubilden.

Wenn die Stärke der dem Kondensator Cp entsprechenden Gate-Isolierschicht 36 etwa 0,1/um beträgt, hat die Schwellwertspannung, bei der Erzeugung der N-Inversionsschicht beginnt, einen Wert von etwa 0,5 bis 1,5 V.

Die Widerstandskomponente der N-Inversionsschicht wird dadurch klein, daß eine die Schwellspannung überschreitende ansteigende Spannung an die polykristalline Siliciumelektrode 32 gelegt wird. So ist es in Wirklichkeit leicht mög-.—-lieh, die Widerstandskomponente von einigen zehn 0hm bis zu einigen Kiloohm mit der Spannung an der polykristallinen Siliciumelektrode von einigen Volt bis zu einigen zehn Volt einzustellen, wenn die belegte Fläche und die Kanallänge des MOS-FET in geeigneter Weise ausgelegt oder konstruiert sind.

Bei dem als erstes Ausführungsbeispiel erläuterten erfindungsgemäßen Thyristor verhindert der extern angeschlössene Nebenschlußwiderstand 34 eine -^r -Fehloperation bei einem steilen Spannungsanstieg mit einer Amplitude von etwa einigen zehn Volt zwischen der Anode und der Kathode. Bei einem steilen Spannungsanstieg von einigen hundert Volt oder mehr macht die kleine Widerstandskomponente der N-Inversionsschicht die

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Impedanz zwischen dem Gate und der Kathode klein, um eine Pehloperation auszuschließen.

Wenn ein Gleichspannungssignal oder ein Wechselspannungssignal mit einer Frequenz von weniger als einigen zehn Kilohertz zwischen die Anode und Kathode gelegt wird und wenn die Zeitkonstante des Widerstands 33 und des Kondensators C₂ in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden liegt, wie es auch oben angenommen wurde, steigt das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 32 nicht an. Der Thyristor oder das Thyristorelement kann somit mit hoher Empfindlichkeit, die durch den Nebenschlußwiderstand 34 bestimmt ist, eingeschaltet oder gezündet werden.

Da bei dem ersten Ausführungsbeispiel die von der Kathodenzone verschiedene N-Diffusionszone 25 vorgesehen ist und auf der Oberfläche der P-Gate-Zone die polykristalline Siliciumelektrode 32 vorhanden ist, wirkt die polykristalline Siliciumelektrode 32 bei einer steilen Spannung zwischen der Anode und der Kathode als Gate-Elektrode des MOS-Transistors, um die P-Gate-Elektrode und die Kathoden-Elektrode kurzzuschließen und auf diese Weise durch die £nr -Festigkeit eine fehlerhafte Operation oder Arbeitsweise zu verhindern. Eine Entladeschaltung mit dem Widerstand 33 und dem Kondensator C₂ auf der P-Diffusionsschicht 23 stellt eine hochempfindliche Schaltoperation des Thyristors bei anliegender Gleichspannung oder anliegender Wechselspannung niedriger Frequenz sicher, so daß der als Einzelelement dargestellte beschriebene Thyristor zum einen eine hohe Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit und zum anderen eine hohe -nr -Festigkeit hat. Bei dem erläuterten ersten Ausf Uhrungsbeispiel wird die Durchbruchspannungsfestigkeit des Thyristorelements in der Vorwärtsrichtung durch den Übergang der N-Zone 22 und der P-Zone 23 sichergestellt, wohingegen die Durchbruchspannungsfestigkeit in der Rückwärts- oder Sperrichtung durch den Übergang der P-Zone 21 und der N-Zone 22 gewähr-

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leistet wird. Da jeder PN-Übergang vom Mesa-Typ ist, hat die Durchbruchspannungsfestigkeit einen hinreichend hohen Wert, wenn dem Anoden-Anschluß 28' und dem Kathoden-Anschluß 27' eine hohe Spannung in der einen oder anderen Richtung aufgedrückt wird. Ist der Thyristor in einer Metallpackung untergebracht, ist die Anode unmittelbar auf der Packungsoberfläche ausgebildet, die Massepotential führt, und das Potential der Elektrode 29 ist auch auf das Massepotential erniedrigt, und zwar mit dem Vorteil, daß es nicht notwendig ist, die Elektrode 29 mit der Anoden-Elektrode 28 direkt zu verbinden, wodurch der Zusammenbau erleichtert wird.

Bei einem in den Fig. 5A und 5B dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine hochresistante N-Schicht 37 (Hochresistanz-Zone) unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht 36 zwischen den eindiffundierten N-Schichten 24 und 25 ausgebildet. Die übrigen Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels stimmen mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels überein und sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Wenn bei dem modifizierten Thyristorelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein steiler Spannungsanstieg dem Anoden-Anschluß 28' und dem Kathoden-Anschluß 26' aufgedrückt wird, steigt das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 32 in der gleichen Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel an. Aus diesem Grunde werden in der hochresistanten oder einen hohen Widerstand aufweisenden N-Schicht Elektronen gesammelt, um den Widerstand dieser Schicht herabzusetzen, und zwar mit dem Ergebnis, daß die eindiffundierten N-Schichten 24 und 25 und damit die Zonen 24 und 23 im wesentlichen das gleiche Potential haben, wodurch eine Zündung oder ein Einschalten vermieden wird. Andererseits hat die polykristalline Siliciumelektrode bei einer langsam anwachsenden Spannung oder einer Gleich-

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spannung das gleiche Potential wie die P-Zone 23, wie es auch beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Da die Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit des Thyristors durch die hochresistante N-Schicht 37 bestimmt ist, besteht die Möglichkeit, die Gate-Empfindlichkeit hoch zu machen.

Somit ist es auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, ein Thyristorelement mit einer hohen Gate-Empfindlichkeit und einer hohen to -Festigkeit zu schaffen. Darüber hinaus ist der Gate-Kavshoden-Widerstand eingebaut. Die Vorteile einer hohen Durchbruchspannung und einer einfachen sowie leichten Montage sind ebenfalls wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorhanden.

Die hochohmige N-Schicht 37 kann man sehr leicht durch Implantation einer Verunreinigung vom N-Typ in die Oberfläche der P-Zone 23 ausbilden. Wenn bei Anwendung dieser Technik irgend eine niedrige Spannung oberhalb von O V an die Gate-Elektrode 32 gelegt wird, wird sofort an der Oberfläche eine N-Inversionsschicht ausgebildet, die als hochohmige N-Schicht 37 wirkt. Der Widerstand dieser hochohmigen N-Schicht, die als N-Inversionsschicht ausgebildet ist, wird mit zunehmender Spannung der polykristallinen Siliciumelektrode 32 schnell kleiner. Beim Anlegen eines sehr kleinen Spannungsanstiegs wird somit im Thyristor eine Schaltung ausgebildet, die eine to -Fehloperation verhindert. Folglich ist es beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, einen externen Neben.schlußwider stand zwischen den Gate-Anschluß und den Kathodenanschluß zu schalten. Angesichts des erläuterten Aufbaus des Thyristors hat das Thyristorelement eine extrem hohe Empfindlichkeit.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, ist die Widerstands- oder Resistanzzone 33 zwischen die polykristallin Siliciumelektrode 32 und die P-Gate^Elektrode 27 geschaltet. Die gleiche

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Funktion und Wirkung erhält man aber auch, wenn die Resistanzzone 33 zwischen die Kathoden-Elektrode 26 und die polykristalline Siliciumelektrode 32 geschaltet wird. Die Schaltoperation kann auch durch Bestrahlung mit Licht auf den Übergang des Thyristorelements von der Außenseite unter Weglassung der P-Elektrode 27 vorgenommen werden. Man erhält dabei die gleiche Funktion und Wirkung.

Nach der Erfindung wird somit ein Thyristorelement vertikaler Bauart geschaffen,.·.bei dem sich die Anoden-Elektrode auf der Rückseite befindet und in eine zweite Halbleiterschicht vom P-Typ, die als P-Gate-Zone wirkt, unabhängig von einer ersten eindiffundierten N-Zone, die als Kathoden-Zone wirkt, eine zweite N-Zone eindiffundiert ist, die mit der ersten eindiffundierten N-Zone über eine MOS-Struktur mit einer ersten Gate-Elektrode verbunden ist, die einen polykristallinen Siliciumkörper aufweist. Weiterhin ist die erste Gate-Elektrode mit der Halbleiterschicht vom P-Typ und der zweiten eindiffundierten Zone vom N-Typ oder mit der ersten eindiffundierten Zone vom N-Typ über eine Widerstandszone verbunden, wodurch es möglich ist, ein einzelnes Thyristorelement mit einer hohen Durchbruchspannungsfestigkeit, einer hohen Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit und einer hohen grjr -Festigkeit bereitzustellen. Ein derartiger Thyristor bietet sich an zur Verwendung in Steuer- und Regelanordnungen, Kommunikationssystemen, Haushaltsgeräten und vielen anderen Gebieten.

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Claims

Patentanwälte ...

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Far3ß:-iLa3e 13 9815

OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. Minato-ku, Tokyo, Japan NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION,

^; Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Patentansprüche

1/ Thyristor enthaltend eine Anodenelektrode (28), eine auf der Anodenelektrode angeordnete erste Halbleiterschicht (21) vom P-Typ, eine auf der ersten Halbleiterschicht vom P-Typ angeordnete Halbleiterschicht (22) vom N-Typ, eine auf der Halbleiterschicht voä N-Typ angeordnete zweite Halbleiterschicht (23) vom P-Typ, eine durch Diffusion in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (23) vom P-Typ ausgebildete erste N-Diffusionszone (24), eine durch Diffusion in der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (23) vom P-Typ ausgebildete zweite N-Diffusionszone (25), die in einem vorbestimmten Abstand von der ersten N-Diffusionszone (24) angeordnet ist, sowie eine auf der zweiten Halbleiterschicht (23) vom P-Typ und der ersten und zweiten N-Diffusionszone (24, 25) vorgesehene Kathoden- und Gate-Elektrodenanordnung (26, 27),

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gate-Isolierschicht (36) zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (24, 25) auf der Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (23) vom P-Typ unter Abdeckung eines Teils der ersten und der zweiten N-Diffusionszone ausgebildet ist, daß eine erste Gate-Elektrode (32) auf der Oberfläche der ersten Gate-Isolierschicht (36) zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (24j 25) angeordnet ist, daß eine zweite Gate-Elektrode (27) in Berührung mit einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (23) vom P-Typ und mit einer Oberfläche der zweiten N-Diffusionszone (25) steht, daß die Kathodenelektrode (26) in-Berührung mit einer Oberfläche der- ersten N-Diffusionszone (24) steht, daß eine Widerstandszone (33) auf der ersten Gate-Isolierschicht (36) in einer solchen Weise vorgesehen ist, daß sie die erste Gate-Elektrode (32) mit der zweiten Gate-Elektrode (27) oder

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mit dör Kathodenelektrode (26) elektrisch verbindet, daß eine zweite Gate-Isolierschicht (35) auf der Widerstandszone (33) und der ersten Gate-Elektrode (32) aufgebracht ist und daß eine dritte Gate-Elektrode (29) oberhalb der ersten Gate-Elektrode (32) auf der zweiten Gate-Isolierschicht (35) angeordnet ist.
2. Thyristor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandszone (33) und die erste Gate-Elektrode (32) aus polykristallinem Silicium vom N-Typ hergestellt sind.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht (36) eine einen hohen Widerstand aufweisende Zone (37) zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (24, 25) angeordnet ist.
4. Thyristor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die einen hohen Widerstand aufweisende Zone (33) und die erste Gate-Elektrode (32) aus polykristallinem Silicium vom N-Typ hergestellt sind.

5· Thyristor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen hohen Widerstand aufweisende Zone (37) eine eine geringe Verunreinigungskonzentration aufweisende eindiffundierte Zone vom N-Typ enthält.

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