DE3439803A1 - Abschaltthyristor - Google Patents

Description

_ 4 —

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abschaltthyristor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Abschaltthyristor, der in der Lage ist, den großen Anodenstrom innerhalb einer kurzen Zeitspanne zu unterbrechen.

Ein Abschaltthyristor wurde als ein Halbleiterelement vorgeschlagen und in den praktischen Gebrauch umgesetzt, das in der Lage ist, eine Schaltfunktion durchzuführen, d.h., das in der Lage ist, als Reaktion auf ein Gate-Signal einen Strom ein- oder auszuschalten. Vor kurzem wurde ein solcher Abschaltthyristor als neues Leistungs-Halbleiterelement aktuell und ein solches Element, das Anodenströme in der Größenordnung bis 2500A abschalten kann, wurde entwickelt.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer geschichteten Struktur eines herkömmlichen Abschaltthyristors darstellt. Der Abschaltthyristor weist eine vierfachgeschichtete Struktur auf mit einer Emitterschicht 1 vom P-Typ, einer Basisschicht 2 vom N-Typ, einer Basisschicht 3 vom P-Typ und einer Emitterschicht 4 vom N-Typ, wobei diese stufenweise mit der untersten beginnend gebildet werden. Die Emitterschicht 4 vom N-Typ wird jedoch in eine Mehrzahl von Bereichen in planarer Weise unterteilt, und die Oberfläche der Basisschicht 3 vom P-Typ wird mit P⁺- Schichtbereichen 5 zur Herstellung eines Ohm'sehen Kontaktes gebildet. Eine Anodenelektrode 6 wird auf der Ober-

fläche der Emitterschicht 1 vom P-Typ gebildet und Kathodenelektroden 7 werden auf der Oberfläche der Emitterschicht vom N-Typ gebildet und dann werden die P -Schichtbereiche auf der Basis vom P-Typ zur Stromsteuerung gebildet.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Stromfluß durch die Basisschicht 3 vom P-Typ, wenn der in Fig. 1 dargestellte Abschaltthyristor ausgeschaltet ist, zeigt, wobei der Strom entlang der Pfeillinien fließt.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die das gegenseitige Verhältnis der jeweiligen zeitabhängigen Änderungen des Unterbrechungsanodenstroms (I_mri_), der Vorwärtsspannung (V_D) und des Gate-Stroms (Iq₀) ^des Abschaltthyristors zeigt. In der Figur gibt die Ordinate den Strom oder die Spannung wider und die Abszisse gibt die Zeit wider, worin t der Ausschaltzeit entspricht. Der Anodenstrom fließt

wie in Fig. 2 gezeigt im Falle der Unterbrechung in die Gate-Elektroden 8 und daher werden die Träger in der Basisschicht 3 vom P-Typ mit dem Strom zu der Gate-Elektrode allmählich herausgezogen, dadurch wird der sich im leitfähigen Zustand befindliche Bereich verschmälert, so daß der Thyristor letztendlich ausgeschaltet werden kann. Wenn der Anodenstrom ausgeschaltet ist, wird der Strom jedoch in dem allmählich verschmälerten Bereich im leitfähigen Zustand konzentriert, mit dem Ergebnis, daß thermische Zerstörung oder ähnliches in dem verschmälerten Bereich im leitfähigen Zustand auftreten kann. Mittlerweile wurde erkannt, daß es als Verbesserung anzusehen ist, wenn die Träger wirksam und schnell aus der oben beschriebenen Basisschicht 3 vom P-Typ herausgezogen werden. Zu diesem

Zweck wurden Verbesserungen überlegt, die darin bestehen, daß die Weite L jedes Emitter-Schichtbereichs schmäler gemacht oder, daß die Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ so viel wie möglich vergrößert wird. Obgleich ein gewöhnlicher Abschaltthyristor so aufgebaut ist, daß die Weite L jedes Emitter-Schichtbereichs 4 vom N-Typ so schmal wie einige 100 μΐη gewählt wird, ist es notwendig, daß die Weite L noch viel schmäler gewählt wird in dem Fall, in dem der größere Anodenstrom über das Gate abgeschaltet wird. Wenn die Weite L des Emitter-Schichtbereichs 4 vom N-Typ jedoch schmäler gewählt wird, so entstehen Probleme damit, daß die Kathodenfläche verkleinert wird, die Herstellung schwierig wird, die Ausbeuterate verringert wird und ähnliches. Wenn die Verunreinigungskonzentration der gesamten Basisschicht 3 vom P-Typ vergrößert wird, so wird die Übergangswirkung der Ladungsträger von dem Emitter-Schichtbereich 4 vom N-Typ zur Basisschicht 3 vom P-Typ allmählich vergrößert, wodurch ein Stromverstärkungsfaktor o<y eines NPN-Transistors, bestehend aus dem Emitter-Schichtbereich 4 vom N-Typ, der Basisschicht 3 vom P-Typ, und der Basisschicht 2 vom N-Typ, mit der Vergrößerung der Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ verkleinert wird.

Wie inzwischen ausreichend bekannt ist, muß um einen Abschaltthyristor vom Sperrzustand in Vorwärtsrichtung aus einzuschalten, die Summe des oben beschriebenen Stromverstärkungsfaktors <*_Npjvr des NPN-Transistors und des Stromverstärkungsfaktors ⁰^PNp des PNP-Transistors, bestehend aus der Basisschicht 3 vom P-Typ, der Basisschicht 2 vom N-Typ und der Emitter-Schicht 1 vom P-Typ, größer sein als 1.

Wenn die Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ zu stark vergrößert wird, so werden die oben beschriebenen Bedingungen nicht angetroffen, mit dem Ergebnis, daß die Einschaltfunktion des Abschaltthyristors nicht durchführbar ist. Dementsprechend kann die Verunreinigungskonzentration der Basisschicht 3 vom P-Typ nicht über einen bestimmten Wert hinaus vergrößert werden.

Da ein herkömmlicher Abschaltthyristor in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, bringt dies den Nachteil mit sich, daß die Ausschaltzeitspanne so lang ist, daß der Thyristor nicht als ein Hochfrequenzumformer verwendet werden kann, während ein Unterbrechungsanodenstrom klein ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abschaltthyristor vorzusehen, der die oben beschriebenen Nachteile eines herkömmlichen Abschaltthyristors nicht besitzt.

Kurz zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung auf einen Abschaltthyristor mit einer Emitter-Schicht eines Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und einer Basisschicht des einen Leitfähigkeitstyps, die aufeinanderfolgend gebildet werden, einem Emitter-Schichtbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, der auf planarer Weise auf der Oberflächenschicht der Basisschicht des einen Leitfähigkeitstyps gebildet wird, einer Elektrode, der anderen Elektrode, und einer Gate-Elektrode, die auf den Oberflächen der Emitter-Schicht des einen Leitfähigkeitstyps, des Emitter-Schichtbereichs des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und der Basisschicht des einen Leitfähigkeitstyps z.B. gebildet werden, einem

Gate-Signal, das an die Gate-Elektrode so angelegt wird, daß der Strom zwischen der einen und anderen Elektrode anoder ausgeschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht einer hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitfähigkeitstyps in der Basisschicht des einen Leitfähigkeitstyps unter der Gate-Elektrode und unter den Randteilen des Emitter-Schichtbereichs des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet wird, und die Tiefe der Schicht der hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitfähigkeitstyps tiefer gewählt wird als der Emitter-Schichtbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und» flacher ist als die Basisschicht des einen Leitfähigkeitstyps.

Erfindungsgemäß wird ein Abschaltthyristor vorgesehen, der einen größeren Anodenstrom innerhalb einer kurzen Zeitspanne unterbrechen kann, verglichen mit einem herkömmlichen Abschaltthyristor.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus eines herkömmlichen Abschaltthyristors;

Fig. 2 eine Ansicht des Ladungsflusses des Anodenstroms, wenn der herkömmliche Abschaltthyristor ausgeschaltet ist;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Änderungen der Spannung und des Stroms, wenn der herkömmliche Abschaltthyristor ausgeschaltet ist, zeigt;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus eines Abschaltthyristors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Ansicht des Ladungsflusses des Anodenstroms wenn der Abschaltthyristor der Ausführungsform wie in Fig. 4 gezeigt ausgeschaltet ist;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abschaltthyristors, der mit einer Glaspassivierung versehen ist;

Fig. 7 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abschaltthyristors, der als Planar-Typ mit einem Schutzring und einem Kanalschnitt verwendet wird;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abschaltthyristors, ausgeführt als Kurzanodentyp, und

Fig. 9 eine Schnittansicht eines geschichteten Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abschaltthyristors, ausgeführt als Typ mit ausgeätzten Gates.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen geschichteten Aufbau einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt. Der grundsätzliche Aufbau der Ausführungsform wie in Fig. 4 gezeigt ist fast der gleiche wie der in Fig. 1 gezeigte und weist ein Silizium-Wafer einer üblichen Verunreinigungskonzentration einer Basisschicht 2 vom N-Typ auf, die einerDiffusion

einer Gruppe III Verunreinigung (wie z.B. Af , Ga, B oder ähnlichen) auf beiden daraufliegenden Oberflächen unterzogen wird, wodurch eine Emitter-Schicht 1 vom P-Typ und eine Basisschicht 3 vom P-Typ auf beiden Oberflächen des Silizium-Wafers gebildet werden. Dann wird, wie gezeigt, zu der Konzentration, die höher ist als die der Basisschicht 1 vom P-Typ, eine Verunreinigung der Gruppe III (B) auf eine Oberfläche des Silizium-Wafers diffundiert. Mit anderen Worten, es wird eine P⁺-Schicht in Bereichen 9 unter den unteren Randteilen der Emitter-Schichtbereiche 4 vom N-Typ, die anschließend gebildet werden, und in Bereichen 10 unter den Gate-Elektroden 8, die anschließend so gebildet werden, daß die P⁺-Schicht tiefer sein kann als die Emitter-Schicht 4 vom N-Typ und flacher als die Basisschicht 3 vom P-Typ, gebildet. Dann wird eine Verunreinigung der Gruppe V (P) so diffundiert, daß die oben beschriebenen Emitter-Schichtbereicne 4 vom N-Typ gebildet werden können. Dann werden auf den Oberflächen der Emitter-Schicht 1 vom P-Typ den Emitter-Schichtbereichen 4 vom N-Typ und den P⁺-Bereichen 10 auf dem Basisbereich 3 vom P-Typ eine Anodenelektrode 6, Kathodenelektroden 7 und Gate-Elektroden 8 gebildet. Der so aufgebaute erfindungsgemäße Abschaltthyristor hat einen Aufbau, bei dem die P -Schicht in den unteren zentralen Teil eines Emitter-Schichtbereichs 4 vom N-Typ verschoben wurde, wodurch ein geeigneter0( erreicht wird. Durch geeignete Wahl der Verunreinigungskonzentrationen der P⁺- Schichtenbereiche 9 und 10 erhält man einen Abschaltthyristor mit ausgezeichneten An- und Abschaltcharakteristiken (besonders eine Ausschaltcharakteristik).

Bezogen auf Fig. 5 wird die Arbeitsweise des oben beschrie-

t A *

- 11 -

benen Abschaltthyristors beschrieben. Bezogen auf Fig. 5 fließt, wenn ein negativer Puls an die Gate-Elektroden 8 angelegt wird, der Anodenstrom zwischen der Kathodenelektrode 6 und den Gate-Elektroden 8, und dann werden die Ladungsträger des Anodenstroms schnell zu der Gate-Elektrode 8 durch die Teile 9 und 10 der P⁺-Schichten geringen Widerstands herausgezogen. Die in der Basisschicht 3 vom P-Typ gespeicherten Ladungsträger werden ebenfalls schnell zur Gate-Elektrode 8 durch die Teile 9 und 10 geringen Widerstands herausgezogen. Durch die oben beschriebene Arbeitsweise kann die Ausschaltzeit drastisch auf ungefähr 8 με von herkömmlichen 15 με reduziert werden.

Im vorangegangenen wurde ein Abschaltthyristor von einem Typ, der eine Gate-Elektrode besitzt, die auf einer Basisschicht vom P-Typ gebildet wurde, beschrieben; es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung in gleicher Weise auf einen Abschaltthyristor mit einem Aufbau, in dem das Verhältnis zwischen P-Typ und N-Typ umgekehrt ist, angewendet werden kann.

Die oben beschriebene Ausführungsform war vom Mesa-Typ; diese sollte jedoch lediglich als Beispiel und nicht als Einschränkung verstanden werden, insoweit die Erfindung auch auf einen Glaspassivierungstyp wie z.B. in Fig. 6 gezeigt, angewendet werden kann. Insbesondere ist, bezogen auf Fig. 6 wie auf Fig. 4, wobei die gleichen Bezugszeichen, die gleiche oder ähnliche Teile kennzeichnen, eine Glaspassivierung 11 in der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform vorgesehen.

Die Erfindung kann auch auf einen Planar-Typ, wie in Fig.

gezeigt, angewendet werden. Bezogen auf Fig. 7 wie auch Fig. 4 sind, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Teile kennzeichnen, ein P-Schutzring 12 und ein N -Kanalschnitt 13 in der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform vorgesehen.

Die Erfindung kann auch auf einen wie in Fig. 8 gezeigten Kurzanodentyp angewendet werden. Insbesondere werden, bezogen auf Fig. 8 wie Fig. 4, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Teile kennzeichnen, N⁺-Schichtbereiche 14 eines Kurzanodentyps in der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform gebildet.

Die Erfindung kann auch auf einen wie in Fig. 9 gezeigten Typ mit ausgeätztem Gate angewendet werden. Insbesondere sind, bezogen auf Fig. 9 wie Fig. 4, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Teile kennzeichnen, die Gate-Bereiche 8' in der Basisschicht 3 vom P-Typ bis zu einer Höhe niedriger als die Emitter-Schicht 4 vom N-Typ abgeätzt.

Es wird weiter darauf hingewiesen, daß in jeder dieser Ausführungsformen das Verhältnis von P-Typ und N-Typ umgekehrt werden kann, verglichen mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. Eine Reihe anderer verschiedenartiger Modifikationen können, ohne daß dabei der Sinn und der Bereich der Erfindung verlassen wird, und die die gleiche Funktion wie die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform besitzen, durchgeführt werden.

- Leerseite -

Claims (7)

1. PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O

   S¹⁹14 3 98 O 3

   Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

   Abschaltthyristor

   PATENTANSPRÜCHE

   fly Abschaltthyristor mit

   einer Emitter-Schicht (1) des einen Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die auf der Emitter-Schicht (1) des einen Leitfähigkeitstyps gebildet ist, einer Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps, die auf der Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, einem Emitter-Bereich (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, der auf einem Teil der Oberflächenschicht der Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps gebildet ist, einer Elektrode (6), die auf der Oberfläche der Emitter-Schicht (l) des einen Leitfähigkeitstyps gebildet ist, der anderen Elektrode (7), die auf der Oberfläche des Emitter-Bereichs

   PATENTANWALT DIPL-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 90 · HARTHAUSER STR. 25d · TEL (O 89) 640 640

   (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, und einer Gate-Elektrode (8) auf der Oberfläche der Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß Schichtbereiche (10, 9) einer hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitfähigkeitstyps in der Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps direkt unter der Gate-Elektrode (8) und direkt unter den Randteilen des Emitter-Bereichs (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet sind und die Tiefe eines jeden Schichtbereichs (10, 9) der hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitfähigkeitstyps tiefer gewählt ist als der Emitter-Bereich (4) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und flacher als die Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps.
2. 2. Abschaltthyristor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß eine Glaspassivierung (11) vorgesehen ist.
3. 3. Abschaltthyristor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps teilweise auf der Oberflächenschicht der Basisschicht (2) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet wird,

   ein Schutzring (12) einer hohen Verunreinigungskonzentration des einen Leitfähigkeitstyps so gebildet wird, daß er den Basisschichtbereich (3) des einen Leitfähigkeitstyps umschließt, und

   ein Kanalschnitt (13) einer hohen Verunreinigungskonzentration des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps außerhalb der Schutzringschicht (12) vorgesehen ist.
4. 4. Abschaltthyristor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß kurze Schichtbereiche (14) einer hohen Verunreinigungskonzentration des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind.
5. 5. Abschaltthyristor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß Gate-Bereiche (8¹) in der Basisschicht (3) des einen Leitfähigkeitstyps abgeätzt sind.
6. 6. Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Typ ein P-Typ ist und der andere Typ ein N-Typ ist.
7. 7. Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Typ ein N-Typ ist und der andere Typ ein P-Typ ist.