DE3405548A1

DE3405548A1 - Ueberspannungsgeschuetzter thyristor

Info

Publication number: DE3405548A1
Application number: DE19843405548
Authority: DE
Inventors: John A. Youngwood Pa. Ostop; John X. Pittsburgh Pa. Przybysz
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1983-02-18
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1984-08-23
Also published as: GB8402719D0; GB2135515A; BR8400676A; FR2541512A1; JPS59158560A; BE898947A; IE840248L; IN159387B

Description

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Überspannungsgeschützter Thyristor

Die Erfindung betrifft einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und insbesondere optisch gezündete Leistungsthyristoren und deren Schutz vor Überspannungen.
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Fig. 1 zeigt einen im Stand der Technik bekannten optisch gezündeten Thyristor 10, der intern gegen Überspannungen geschützt ist. Dieser Schutz erfolgt durch einen Lawineneffekt.
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Zur Beschreibung wird ein Thyristor 10 mit einer N+P+NP+ Konfiguration zugrundegelegt.

Der Thyristor 10 besitzt einen Kathodenemitterbereich vom N+ Typ, einen Kathodenbasisbereicii 14 vom P+ Typ, einen Anodenbasisbereich 16 vom N Typ und einen Anodenemi tterbereich 18 vom P+ Typ.

Zwischen dem Kathodenemitterbereich 12 und dem Kathodenbasisbereich 14 liegt ein PN Übergang 20, zwischen dem Kathodenbasisbereich 14 und dem Anodenbasisbereich 16 ein PN Übergang 22 und zwischen dem Anodenbasisbereich 16 und dem Anodenemitterbereich 18 ein PN Übergang 24.

Eine üblicherweise aus Aluminium bestehende Emitterelektrode 2 6 wird auf den Kathodenemitterbereich 12 aufgebracht und elektrisch an der Stelle mit dem Kathodenbasisbereich 14 verbunden, an der dieser auf die obere Oberfläche

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fläche 23 des Thyristors 10 stößt. Auf der unteren Oberfläche 32 des Thyristors 10 wird eine zweite Elektrode 30 angebracht, die als Anode dient.

Auf der oberen Oberfläche 28 des Thyristors ist eine Vertiefung 34 angebracht, die sich bis in den Kathodenbasisberaich 14 erstreckt. Der Kathodenbasisbereich 14 ist entlang des Bodens dieser Vertiefung deformiert, und der Teil 36 des Bereichs 14 längs dieses Bodens der Vertiefung 34 erstreckt sich in den Anodenbasisbereich 16 weiter als der Teil 38 des Bereichs 14. Der Teil 38 des Bereichs 14 erstreckt sich vom Punkt 40 bis zur Kante 42 des Thyristors 10.

In dem bekannten Bauelement nach Fig. 1, dessen Schutz vor Überspannungen durch Lawineneffekte erfolgt, ist die Breite W des Bereichs zwischen den Sperrschichten des Thyristors unter der Vertiefung kritisch. In dem Beispiel nach Fig. 1 . aus dem Stand der Technik handelt es sich urn die Breite W des Bereichs 16 unter der Vertiefung 34, gemessen zwischen den PN Übergängen 22 und 24.

Damit der Thyristor 10 gegen eine Überspannung geschützt ist, muß die Beziehung gelten:

W₀ + 2L_p < W_n

wobei W die Breite des Verarmungsbereichs bei der Kippspannung ist, L ' die Diffusionslänge und W die Breite des Bereichs zwischen den beiden Sperrschichten unter der Vertiefung 34, d. h. der PN Übergänge 22 und 24, gemessen vom Boden der Vertiefung 34. Eine Diffusionslänge beträgt ungefähr 35 μΐη in einem Halbleitermaterial vom N Typ.

Typische

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Typische physikalische Parameter des Thyristors nach Fig. sind im folgenden angegeben. Der Kathodenemitterbereich vom Typ iJ+ ist so dotiert, daß eine Oberflächenkonzentration von 10 bis 10 Atome/ccin auftritt und die Dotierungskonzentration am PN Übergang 20 zwischen 3x10 und 5x10 liegt. Der Bereich 12 besitzt eine Breite oder Dicke von 35 um. Der Kathodenbasisbereich vom P+ Typ und der Anodeneinitterbereich 18 vom P+ Typ sind mit einer Oberflächenkonzentration von 10 bis 10 Atome/ccm dotiert. Der Anodenemitterbereich 18 weist eine Breite oder Dicke von 125 um auf. Der Kathodenbasisbereich hat eine 3reite oder Dicke von 125 μπι im Teil 3 8 und eine Breite oder Dicke von 35 μητ. im Teil 36 unter der Vertiefung. Der Anodenbasisbereich 16 vom Typ U hat einen spezifischen Widerstand von 160 0hm-cm und eine Breite W von 350 um unter der Vertiefung 34; im übrigen Teil dieses Bereichs beträgt die Breite typischerweise 500 um. Die Vertiefung ist ungefähr 225 μπι (9 mils) tief.

Dieser im Stand der Technik bekannte Thyristor ist in der Veröffentlichung von J. X. Przybysz und E. S. Schlegel in IEDM, 1981, Seiten 410 bis 413 beschrieben. Weiterer hier interessierender Stand der Technik ist in dem Artikel von V. A. K. Temple, IEDM, 1981, Seiten 406 bis 409 beschrieben und in den US-Patentschriften 4,176,371 und 4,079,403.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Thyristor der eingangs genannten Art anzugeben, der einen verbesserten internen Schutz gegen Überspannungen aufweist.

Diese

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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Thyristors nach dem

Stand der Technik;
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Fig. 2 eine Seitenansicht eines Thyristors nach der

vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bekannten Vierschichtschaltelernents, das sich dem Durch

griff nähert;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur theoretischen Erläuterung der Funktionsweise des Thyristors nach der vorliegenden Erfindung; und

die Figuren 5, 6 und 7 Strom-Spannungsdiagramme des Thyristors nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen optisch gezündeten Thyristor 110/ der mit Hilfe des Durchgreifeffekts (punch through) intern gegen Überspannungen geschützt wird. Im Thyristor 110 ist die Lehre der hier vorliegenden Erfindung realisiert.

Der Thyristor 110 wird am Beispiel einer Dotierungsfolge N+P+NP+ innerhalb eines Siliciumkörpers beschrieben. Die Erfindung ist aber natürlich gleichermaßen bei einem Thyristor anwendbar, der eine P+N+PN+ Schichtfolge aufweist

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weist; außerdem kann der Thyristor in jedem geeigneten Halbleitermaterial hergestellt sein.

Im Thyristor 110 ist ein Kathodenemitterbereich 112 vom Typ N+ vorgesehen, der vorzugsweise segmentiert ist, ein Kathodenbasisbereich 114 vom Typ P+, ein Anodenbasisbereich 116 vom Typ IT und ein Anodenemitterbereich 113 vom Typ P+. Zwischen dem Kathodenemitterbereich 112 und dem Kathodenbasisbereich 114 liegt ein erster PN Übergang 120. Zwischen dem Xathodenbasisbereich 114 und dem Anodenbasisbereich 116 liegt ein zweiter PN Übergang 122. Dieser PN Übergang 122 stellt die Vorwärts-Sperrschicht des Thyristors 110 dar.

Zwischen dem Anodenbasisbereich 116 und dem Anodenemitterbereich 118 liegt ein dritter PN Übergang 124, der die Rückwärtssperrschicht des Thyristors 110 bildet.

Auf der oberen Oberfläche 128 des Thyristors 110 ist eine Emitterelektrode 126 im ohmscher elektrischer Verbindung mit dem Kathodenemitterbereich 112 und dem Kathodenbasisbereich 114 angebracht. Der ohmsche elektrische Kontakt zwischen der Emitterelektrode 126 und dem Kathodenbasisbereich 114 wird auf dem Teil 12 9 des Bereichs 114 hergestellt, d. h. dem Teil des Kathodenbasisbereichs 114, der sich zwischen den Segmenten des Kathodenemitterbereichs 112 bis zur oberen Oberfläche 123 des Thyristors HO erstreckt.

Eine Anodenelektrode 130 ist auf der unteren Oberfläche 132 des Thyristors 110 in ohmschem Kontakt mit dem Anodenemitterbereich 118 angebracht.

Auf

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Auf der oberen Oberfläche 123 des Thyristors 110 ist eine Vertiefung 134 ausgebildet, die sich bis in den Kathodenbaaisbereich 114 erstreckt. Der Kathodenbasisbereich 114 ist längs der unteren Oberfläche 135 der Vertiefung 134 deformiert, so daß der Teil 136 des Bereichs 114 längs der unteren Oberfläche 135 der Vertiefung 134 weiter in den Anodanbasisbereich 116 eingreift als der Teil 138 des 3eraichs 114. Der Teil 138 des Bereichs 114 erstreckt sich dabei vom Punkt 140 bis zur Kante 142 des Thyristors 110. Die Deformation des Kathodenbasisbereichs 114 führt dazu, da/3 der PW Übergang 122 unter der Vertiefung in Richtung auf den PrJ Übergang 124 verbogen wird.

Die Vertiefung 134 wird in dem Thyristor 110 durch Ätzen oder andere bekannte Verfahren erzeugt, und zwar zwischen einer Aluminiumdiffusion und einer darauffolgenden Galliumdiffusion. Die Aufeinanderfolge dieser beiden Diffusionen ist im Stand der Technik bekannt.

.Venn der Thyristor 110 mit Hilfe des Durchgreifeffekts vor Überspannungen geschützt werden soll, ist entsprechend der Erkenntnis der vorliegenden Erfindung die Breite W des Teils 137 im Bereich 116 von kritischer Bedeutung; es handelt sich dabei um den Teil des Bereichs 116 unter der Vertiefung 134, und zwar gemessen zwischen dem PN Übergang 122 längs des Bodens der Vertiefung und dem PN Übergang 124.

Wenn der Thyristor 110 durch den Durchgreifeffekt einen Eigenschutz gegen Überspannungen aufweisen soll, muß die Beziehung gelten:

wobei

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wobei W die Breite des Verarmungsbereichs bei der Kippspannung ist und W die 3reite des Bereichs zwischen den Sperrschichten, und zwar gemessen vom Boden der Vertiefung.

Im praktischen Betrieb wird der Durchgreifeffekt auftreten, wenn die Größe iJ unter der Vertiefung 134 in den 3ereich des Abstands von weniger als zwei Jiffusionslängen vom PZJ Übergang 124 eindringt.

lü Um sicherzustellen, daß der Durchgreifeffekt an der gewünschten Stelle, nämlich unter der Vertiefung 134 auftritt, sollte der Abstand "d" vom Punkt 143, der Kante des Bodens der Vertiefung 134 bis zum Kathodenemitterbereich 112 mindestens zwei Diffusionslängen betragen; eine Diffusionslänge hat in halbleitendem Material vom Typ iJ den Wert von ungefähr 35 μπι.

Auf diese Weise erfolgt der Durchgreifeffekt an einer Stelle unter der Vertiefung 134, die vom Kathodenemitterbereich 112 entfernt liegt.

Der Thyristor 110 wird gezündet, indem Licht auf die Vertiefung 134 gerichtet wird und vorzugsweise mindestens der Großteil der Lichtenergie die untere Oberfläche der Vertiefung erreicht.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Fig. 3 erläutert, in der eine bekannte Vierschichtanordnung dargestellt ist, die kurz vor dem Auftreten des Durchgreifeffekts steht. Die effektive Breite der Basis "£" des PNP Transistors nähert sich der Diffusionslänge L für Minoritätsladungsträger. Durch den Early-Sffekt steigt die Verstärkung des PNP Transistors, bis die Qmschaltbedingung α + ot = 1 erreicht ist.

Dieser

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Dieser Umschaltrnechanisinus weist eine stark negative Temperaturabhängigkeit fur.

.I⁵T₁ Unterschied dazu zeigt Fig. 4 eine äquivalente Darstellung für die Einrichtung nach der hier vorliegenden Erfindung. Der Early-Effekt unter der ausgeprägten Vertiefung ist durch die neue effektive Basisbreite Jl' bestimmt, die sich von dar effektiven Basisbreite £ unter dem Kathodenemitter unterscheidet. Als Folge davon kann die Verstärkung des Transistors der Steuerelektrode (Gatt) außerordentlich ansteigen, während die Verstärkung des PL-IP Transistors im Kathodenbereich ungefähr konstant bleibt. Der neutrale P Basisbereich verbindet den Kollektor des Transistors im Gatt-Bereich mit der Basis des WPN Transistors im Kathodenbereich. Damit ergibt sich eine vollkommen neue Umschaltbedingung, nämlich I =1 α-τ^τη' wobei I der

g ij t Hr g

übliche Schwellwertstrom des Gatts ist, I„ der Leckstrom

Ii

der Verarmungsschicht und a^ die (spannungsabhängige) Verstärkung des Transistors unter der Vertiefung. Diese neue Umschaltbedingung ist bezüglich der Temperatur sehr viel stabiler.

Ein Thyristor der in Fig. 2 dargestellten Art nach der Lehre der vorliegenden Erfindung wurde auf einer SiIiciumscheibe mit einem Durchmesser von 50 mm hergestellt. Der Kathodenemittarbereich 112 wurde entsprechend einer Oberflächenkonzentration zwischen 10 bis 10 Atorne/ccm dotiert. Die Dotierungskonzentration des Bereichs 112 am PiI Übergang 120 betrug 3 bis 5x10 . Die Breite des Bereichs 112 lag bei 35 μΐη.

Der Kathodenbasisbereich 114 wurde entsprechend einer Überflächenkonzentration zwischen 10 bis 10 Atorne/ccm

dotiert.

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dotiert. Der Teil 138 des 3ereichs 114 wies eine Breite von 125 μη auf, der Teil 136 des Bereichs 114 eine Breite von 35 um. Der Anodenbasisbereich 116 hatte einen spezifischen 'Jiderstand von 160 Ohm-cn.
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Der Teil 137 des Bereichs 116 unter der Vertiefung hatte eine Breite von 275 μπι, während der Rest dieses Bereichs 425 um breit war.

Die Anodenemitterschicht 113 wurde entsprechend einer Oberflächenkonzentration
und war 125 um dick.

13 19 flächenkonzentration von 10 bis 10 Atome/ccn dotiert

Die Vertiefung 134 war ungefähr 225 μια tief und wies eine Breite von ungefähr 1,6 mm auf, gemessen 112 μΐη unter der oberen Oberfläche 123 des Thyristors 110. Der Abstand "d" betrug ungefähr 175 μΐη.

Fig. 5 zeigt den Überspannungsschutz in der Vorwärt sstrornspannungsumschaltcharakteristik des Thyristors 110 bei 25 ° C.

Fig. 6 zeigt den Überspannungsschutz in der Vorwärtsstromspannungsunischaltcharakteristik des gleichen Thyristors 110 bei 125 ° C. Es zeigt sich, daß die Temperaturerhöhung die Sperrspannung des Thyristors fast überhaupt nicht beeinflußt.

Die !Messung der infraroten Rekombinationsstrahlung zeigte deutlich, daß bei Überspannungen die Einschaltvorgänge im Mittelbereich des Thyristors unter der Vertiefung auftraten und nicht im Kantenbereich des Bauelements.

Thermische

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Thermische Infrarotmessungen des Thyristors 110 bei Polung in Sperrichtung bestätigten, daß der Auslösestrom durch den Durchgreifeffekt hervorgerufen wird. Fig. 7 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik des Elements in Sperrichtung. Der Einsatz des Leckstroms erfolgte bei einer Spannung, die de:n einsatz des Vorwärtsleckstrorns entsprach. Bei der Untersuchung des Thyristors auf wärmestrahlung wurde die Vertiefung .134 als die heiße Stelle identifiziert. Einen noch überzeugenderen Beweis lieferte die mikroskopische thermische Beobachtung der geätzten Vertiefung in Sperrpolung. Die heißesten Punkte des Bildes entsprachen den tiefsten Punkten in der Vertiefung 134. Wie zu erwarten war, setzte der Durchgrsifeffekt in den engsten Teilen der Il 3asis ein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

/i/. Optisch gezündeter Thyristor, mit Durchgreifeffekt-Überspannungsschutz, der eine obere Oberfläche (12 6) und eine untere Oberfläche (130) aufweist, einen ersten Basisbereich (114) und einen zweiten Basisbereich (116), wobei im ersten Basisbereich (114) eine Vertiefung (134) angebracht ist, die von einem ersten Emitterbereich (120) einen Abstand aufweist und sich vom Mittelteil der oberen Oberfläche-des Thyristors in den ersten Basisbereich bis zu einer Tiefe erstreckt, die so bestimmt ist, daß die Vorwärtssperrschicht unter der Vertiefung in Richtung auf die Rückwärtssperrschicht verbogen ist, so daß der zweite

Basisbereich (116) eine erste Breite W_M unter der Vertieft

fung aufweist, die kleiner ist als die Breite des übrigen Teils des zweiten Basisbereichs (116), dadurch gekennzeichnet,

daß für die erste Breite W die Beziehung gilt:

Vi > W
D ü

wobei W die Breite eines Verarmungsbereichs ist, der bei einer gewünschten Kippspannung ausgebildet wird.
2. Thyristor

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2. Thyristor nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertic2fung von dem ersten Emitterbereich (120) einen
Abstand (d) aufweist, der mindestens zwei Diffusionslängen beträgt.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß w„. kleiner ist als die Summe aus zwei Diffusionslängen und -W_-.
4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (134) vorn Kathodenemitterbereich (120)
einen Abstand (d) aufweist, der größer ist als mindestens zwei Diffusionslängen.
5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß W„_T kleiner ist als die Summe aus zwei Diffusionslängen
und VJ .