DE3238468C2

DE3238468C2 - Optisch zündbarer Thyristor

Info

Publication number: DE3238468C2
Application number: DE19823238468
Authority: DE
Inventors: Dieter H. Dipl.-Phys. Dr.phil.nat. 6053 Obertshausen Silber; Bernhard Dipl.-Phys. Dr.phil.nat. 6090 Rüsselsheim Thomas; Wolfgang Ing.(Grad.) 6236 Eschborn Winter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-10-16
Filing date: 1982-10-16
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3238468A1

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch zündbaren Thyristor mit mindestens vier aufeinander folgenden Zonen jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, einem lichtempfindlichen Pilotthyristorteil und einem Hauptthyristorteil, wobei eine äußere, der Lichteinstrahlung ausgesetzte Emitterzone dieses Pilotthyristorteils mit der folgenden, teilweise an die Oberfläche tretenden Steuerbasiszone verbunden ist und mit Mitteln zur Verhinderung einer Zündung durch in der Steuerbasiszone auftretende Störströme.

Ein derartiger Thyristor ist aus der DE-OS 25 49 563 bekannt. Dort wird das Problem behandelt, daß eine ausreichende Sicherheit der Thyristoren gegen Zünd vorgänge bzw. Störströme notwendig ist, die durch den infolge Temperaturerhöhung ansteigenden Sperrstrom oder eine zu starke Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei Belastung in Vorwärtsrichtung bewirkt wird. Dieser Effekt ist umso störender, je zündempfindlicher der optisch anregbare Zündbereich des Thyristors ist.

Bei dem bekannten Thyristor wird dieses Problem dadurch gelöst, daß der Thyristor im Zündbereich für Lichteinstrahlung empfindlich gemacht und gleichzeitig dafür gesorgt wird, daß in diesem Bereich eine Störzündung unterbleibt. Dazu ist der Thyristor so ausgebildet, daß durch die etwa gleichmäßig über die Thyristorfläche verteilten Störströme im Zündbereich der Emitterzone eine Potentialerhöhung in der gleichen Richtung wie die Potentialerhöhung der Steuerbasis irr. Zündbereich entsteht. Für eine derartige Kompensation der Störströme ist jedoch gegenüber einen normalen optisch kündbaren Thyristor eine wesentlich größere Thyristorfläche erforderlich.

Es ist auch bekannt (DE-AS 26 25 917), die Störströme durch Verwendung von zusätzlichen, auf einen niedrigen ohmschen Wert schaltbaren Emitterkurzschlüssen unwirksam zu machen. Zur Schaltung der Emitterkurzschlüsse dienen in den Halbleiterkörper integrierte Feldeffekttransistoren. Diese Ausführungsform ist jedoch zumindest von der Herstellung her sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch zündbaren Thyristor der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, der einen Schutz gegen Störzündung ohne größeren Flächenbedarf bei einfacher Herstellung bzw. Geometrie bietet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der während des Einschaltvorgangs aus dem Pilotthyristorteil in den Hauptthyristortei! fließende, sich aus einem Stromanteil aus der äußeren Emitterzone und einem Stromanteil aus dem der Emitterzone benachbarten Bereich der Steuerbasiszone zusammensetzende Strom mittels diskreter oder integrierter, als Vorwiderstand für die äußere Emitterzone wirkender Widerstände derart aufgeteilt ist, daß mehr als 20% des Stroms aus dem benachbarten Bereich fließen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich vorteilhaft auch bei einem optisch zündbaren Thyristor nach der DE-OS 25 49 563 realisieren, wobei sich der nachteilige Flächenbedarf stark verringert. Auch bei optisch zündbaren Halbleiterschaltelementen mit geschaltetem Emitterwiderständen ist die Erfindung mit Vorteil anwendbar, da durch sie der Faktor, um den der Widerstandswert dieser Widerstände geschaltet werden muß, erheblich verringert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem ein konstanter, die Stromverzweigung erzwingender Emittervorwiderstand als Teil einer n⁺-Emitterzone ausgebildet ist,

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Emittervorwiderstand als Teil der benachbarten Zone eines Hauptthyristorteils ausgebildet ist,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich dem Emitternebenwiderstand ein geschaltetes Element parallel liegt.

F i g. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Thyristors 1 mit optisch steuerbarem Pilotthyristor als Teilbereich 2 und Leistungsthyristorteil 3. Beide Thyristorteile bestehen aus aufeinanderfolgenden Zonen alternierender Leitfähigkeit, und zwar einer gemeinsamen anodenseitigen p-Emitterzone 4, einer gemeinsamen schwach η-dotierten Hauptbasiszone 5, einer gemeinsamen p-dotierten Steuerbasiszone 6, sowie einer n ⁺ -Emitterzone 7 des optisch zündbaren Pilotthyristorteils (Zündbereich) 2 bzw. der η+ -Emitterzone 8 des

b5 Leistungsthyristorteils 3. Eine nur lokal als Streifen und mit geringer Eindringtiefe ausgebildete n-Zone 9 dient als Vorwiderstand vor der Zone 7. Die Metallisierung 10 der anodenseitigen Emitterzone 4 und die Metallisie-

rung 11 der !!+-Emitterzone 8 sind die Laststromanschlüsse; die Metallisierung 12 stellt zusammen mit einer η+-Zone 9' die ohmsche Kontaktierung der n-Vorwiderstandszone 9 zur Steuerbasiszone 6 her. Der Bereich 13 der Steuerbasiszone 6 unterhalb der n+-Zone 7 ist in seinem spezifischen Flächenwiderstand der geometrischen Ausbildung des Pilotthyristorteils 2 so angepaßt, daß beim Einstrahlen von Licht in diesen Bereich, angedeutet durch die Pfeile 15, der zur n+-Emitterkontaktierung 11 abfließende Fotostrom 14 einen so großen ohmschen Widerstand vorfindet, daß die Zündung mit geringen Lichtleistungen möglich ist. Beispielsweise kann der n+-Bereich 7 eine Breite b von 0,7 mm haben; zweckmäßig hat dann der spezifische Flächenwiderstand der p-Zone 6 im Bereich 13 den Wert 4000 Ohm/ D, damit eine Zündung mit Fotostromdichten unter 0,1 A/cm² möglich ist. Beträgt die Ausdehnung der Zone 7 senkrecht zur Zeichenebene beispielsweise 1,5 mm und sind am nicht weiter dargestellten Rand des Schaltelementes störende Nebenwiderstände für den Stromabfluß 14 aus der Zone 13 ausreichend groß, so hat die Zone 9 zweckmäßig einen ohmschen Widerstand von mindestens 400 Ohm, damit eine Verringerung der Störzündempfindlichkeit erreicht wird.

Die Wirkungsweise dieser Ausbildung beruht darauf, daß durch den relativ hohen Vorwiderstand der Zone 9 die Stromverstärkung des aus den Zonen 7, 13, 5 gebildeten n + pn--Teiltransistors selbst bei großen Strömen sich nicht dem Wert 1 nähern kann, sondern daß diese Stromverstärkung auf einen geringen Grenzwert zustrebt (»aufgezwungene« Stromverstärkung). Dier hat zur Folge, daß zwar die Ansteuerempfindlichkeit des Pilotthyristorteils 2 geringfügig verringert wird, daß vor allem aber die für eine Zündung notwendige, in den Basiszonen 5 und 6 anzuspeichernde Minoritätsträgerladung stark vergrößert wird. Die Zeit bis zum Durchschalten wird damit verlängert, beispielsweise für ein Schaltelement von 1000 V Sperrfähigkeit von 2,5 auf 5 μ5; dies ist jedoch für den Anwendungsbereich von Kleinleistungsschaltem unerheblich. Vorteilhaft ist dagegen, daß jetzt auch die für Störzündungen notwendige aufzubringende Gesamtstörladung wesentlich vergrößert ist, so daß das Bauelement gegen Störungen durch kapazitive dtz/df-Störstrompulse, aber auch durch dtf/df-Strompulse, die durch noch in den Basiszonen 5,6 vorhandenen Restladungen vergrößert sind, weniger empfindlich ist. Damit werden also die du/dz-Festigkeit, die Freiwerdezeit und, im Falle von antiparallel integrierten Thyristoren, die Kommutierungs-du/dr-Festigkeit wesentlich verbessert.

Die Begrenzung der Stromverstärkung des n⁴pn~ -Teiltransistors ist beim Einschalten aus jeder anliegenden Elementespannung gegeben.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist das HalDleiterbauelement 10 ebenfalls ein optisch steuerbarer Thyristor mit einem Zündbereich (Pilotthyristorteil) 20 und einem Hauptthyristorteil 30. Die p-Anoden-Emitterdiffusion 40 und die n~-Hauptbasiszone 50 sind wieder bei den Thyristorteilen 20,30 gemeinsam. Der Pilotthyristorteil 20 enthält eine eigene isolierte p-Basisdiffusionszone 60, die in drei Bereiche ausgebildet ist: Einen Basisbereich 130 unter dem n ⁺ -Emitterteil 70, einen als Widerstandsschicht ausgebildeten p-Bereich 131 und einen p-Bereich 132, der nur als kontaktierender Anschluß von 131 ausgebildet ist. Der Hauptthyristorteil 30 enthält eine p-Zone 60' mit zur /one 60 entsprechender Funktion, die in die Bereiche 130', 131', 132' unterteilt ist. Die n^H -Emitterzone 80 <'es Haupuhyrtstors 30 ist über deren Metallisierung 110 mit Komaktierungen 111 und 112 der p-Bereiche 132 und 132' verbunden. Diese Metallisierung 110 und die Anodenmetallisierung 100 der p-Zone 40 sind gleichzeitig die Laststromanschlüsse. Die p--Zone 90 stellt einen Vorviderstand dar, mit dem die n+-Zone 70 über eine Metallbrücke 120 und die Metallisierungen 121, 122 mit dem p-Zonen-Bereich 130' elektrisch verbunden ist Die p-Zone 90' bildet die Kontaktanschlußfläche für die Vorwiderstandszone 90.

Die Funktion dieses Thyristors ist insofern derjenigen des Thyristors nach F i g. 1 ähnlich, als auch hier wieder ein Vorwiderstand 90 vor dem η+ -Emitter 70 die maximal erreichbare Stromverstärkung des aus 70, 130 und 50 bestehenden n + pn~-Teiltransistors herabsetzt. Hinzu kommt aber nun, daß der Widerstandsbereich 90 geometrisch und in seinem spezifischen Flächenwiderstand so ausgebildet ist, daß er beim Anlegen von Vorwärts-Sperrspannung wegen der Ausdehnung der Raumladungszone seinen Widerstandswert erhöht. Dies ist dann der Fall, wenn diese Schicht 90 pro cm² Fläche etwa 10'- Ladungsträger enthält, /st nun der Widerstandsbereich 131 so ausgebildet, daß er zwar einen wesentlich niedrigeren spezifischen Flächenwiderstand hat (also wesentlich mehr Ladungsträger/Flächeneinheit), daß er aber infolge seiner geometrischen Form einen wesentlich größeren ohmschen Wert besitzt, so entsteht aus dem Emittervorwiderstand 90 und dem Emitternebenwiderstand 131 eine Kombination, welche die Ansteuerbarkeit bei geringer Elementespannung wenig, bei hoher Elementarspannung aber stark erschwert, denn nunmehr wird bei hoher Elementarspannung die Stromverstärkung des n + pn--Teiltransistors besonders stark herabgesetzt. Dies hat zur Folge, daß das Bauelement wesentlich bessere Störzündsicherheit bekommt, ohne daß die Zündbarkeit in der Nähe des Nulldurchgangs einer Wechselstromhalbwelle erschwert wird. Für Bauelemente, die ohnehin als Nullspannungsschalter eingesetzt werden, ist dies eine sehr erwünschte Eigenschaft.

Die Dimensionierung der Zone 90 ist dabei so auszuführen, daß der Einfluß eventuell vorhandener Oberflächenladungen berücksichtigt wird. Die resultierende Ladungsträgermenge/Fläche ist beispielsweise 6,5 -10" Ladungsträger/cm²; in diesem Falle ist bei etwa der halben Sperrspannung am EletiKnt der Widerstand der Zone 90 auf einen unendlich großen Wert angewachsen. Die geometrische Form des Widerstandsbereiches 90 ist so, daß eine Aufzündung des Leistungsthyristorteils 30 bei kleinen Spannungen möglich ist. Der Widerstand der Zone 90 liegt bei niedrigen Sperrspannungen bei etwa 2 kQ; dies bedeutet, daß bei einer Aufzündung aus etwa 10 V Elementespannung ein ausreichend großer Ansteuerstrom für den Thyristorteil 30 entsteht, wobei dieser Leistungsteil 30 bei einem minimalen Zündstrom von einigen niA ausreichend störsicher ist.

Die F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Elementes wie nach Fig. 1, jedoch mit zusätzlichen Maßnahmen zur Herstellung eines schaltbaren Emitternebenschlusses. Der schaltbare Emitternebenschluß besteht aus einem MOS-Feldeffekttransistor 16, der diskret oder in das Schaltelement integriert ausgebildet ist. Eine im Bauelement ausgebildete p-Zone 13' ist über einen ohmschen Widerstand 17 mit der Kontaktierung 11 der Emitterzone 8 des Hauptthyristorteils 3 verbunden. Der bei du/dr-Belastungen oder hohen Sperrströmen infolge hoher Bauelementetemperaturen aus der Zone 13' über den Widerstand 17 fließende Störstrom erzeugt am Widerstand 17 einen Spannungsabfall, der zum Einschalten

des MOS-Feldeffekttransistors 16 herangezogen ist. Die in den Bereich 13 der Basiszone 6 einfließenden Störströme fließen damit zum größten Teil über die Kontaktmetallisierung 18 und den Transistor 16 zur Kontaktierung 11 ab. Die Wirkungsweise der Kombination aus Emittervorwiderstand 9 und geschaltetem Emitternebenschluß 16 ist derart, daß durch das Einschalten des Emitternebenschlusses 16 die Stromverstärkung des aus den Zonen 7, 6, 5 gebildeten n^Tpn~-Teiltransistors selbst bei großen Kollektorströmen nur einen relativ kleinen Wert, beispielsweise < 0,5, annimmt.

Der Vorteil gegenüber bekannten Schaltelementen mit geschaltetem Emitternebenschluß besteht darin, daß an das Durchlaßverhalten des integrierten oder diskreten schaltbaren Emitternebenschlusses 16 geringere Anforderungen gestelli werden. Wenn nur sein ohmscher Wert im Störfall unter den des Emittervorwiderstandes 9 abgesenkt wird, so wird nicht nur das Erreichen der Zündbedingungen erschwert, sondern sogar die Zündbarkeit des Halbleiterschaltelementes 1 verhindert, denn nunmehr wird im Störfall die maximal erreichbare Stromverstärkung des n ⁺ pn--Teiltransistors besonders stark herabgesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Optisch zündbarer Thyristor (1; 10) mit mindestens vier aufeinander folgenden Zonen jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, einem lichtempfindlichen Pilotthyristorteil (2; 20) und einem Hauptthyristorteil (3; 30), wobei eine äußere, der Lichteinstrahlung ausgesetzte Emitterzone (7; 70) dieses Pilotthyristorteils (2; 20) mit der folgenden, teilweise an die Oberfläche tretenden Steuerbasiszone (6; 60, 60') verbunden ist und mit Mitteln zur Verhinderung einer Zündung durch in der Steuerbasiszone (6; 60, 60') auftretende Störströme, dadurch gekennzeichnet, daß der während des Einschaltvorgangs aus dem Pilotthyristorteil (2; 20) in den Hauplthyristorteil (3; 30) fließende, sich aus einem Stromanteil aus der äußeren Emitterzone (7; 70) und einem Str&manteil aus dem der Emitterzone benachbarten Bereich (13; 130, 130') der Steuerbasiszone (6; 60, 60') zusammensetzende Strom mittels diskreter oder integrierter, als Vorwiderstand für die äußere Emitterzone (7; 70) wirkender Widerstände (9; 90, 131) derart aufgeteilt ist, daß mehr als 20% des Stromes aus dem benachbarten Bereich (13; 130,130') fließen.

2. Optisch zündbarer Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromaufteilung mittels eines als Teil des benachbarten Bereichs (130') ausgebildeten, spannungsabhängigen, mit der Elementespannung in seinem ohmschen Betrag zunehmenden Emittervorwiderstandes (90) und eines nicht spannungsabhängigen Emitternebenwiderstandes (131) gebildet ist.

3. Optisch zündbarer Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (1; 10) zusätzlich einen Emitternebenschluß (16) aufweist, der beim Auftreten von Störzündströmen auf einen niedrigeren ohmschen Wert geschaltet wird.