DE3733100C3 - Abschalt-Thyristor - Google Patents

Abschalt-Thyristor

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abschalt-Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Abschalt-Thyristor dieser Art ist aus der EP 01 60 525 A2 bekannt. Um einen Hochgeschwindigkeitsschaltvorgang bei niedrigen Durchlaßspannungen zu erzielen, besitzt der bekannte Abschalt-Thyristor eine Anoden-Kurzschlußstruktur, sowie eine N-Typ-Basisschicht, die sich an die Anodenkurzschlußstruktur anschließt, und eine P-Typ-Basisschicht, die sich an die N-Typ-Basisschicht anschließt und mit dieser einen Hauptübergang ausbildet. In der gesamten N-Typ-Basisschicht ist Gold eindiffundiert, um die Lebensdauer der Ladungsträger in der gesamten Schicht zu reduzieren; jedoch führt diese Maßnahme dazu, daß die Durchlaßspannung erhöht und damit ungünstig beeinflußt wird.
Aus DE-PS 31 17 202 ist bekannt, zwei Rekombinationsbereiche in der N-Basis- Schicht eines Thyristors ohne Anoden­ kurzschlußstruktur vorzusehen. Die bei­ den Rekombinationsbereiche werden durch Protonenbestrahlung einmal von der Ano­ denseite her und einmal von der Katho­ denseite her ausgebildet. Die Energie der Protonen ist dabei jeweils so ein­ gestellt, daß die Konzentrationsmaxima der Rekombinationszentren hinter dem anoden- bzw. kathodenseitigen pn-Über­ gang liegen.
Aus US 43 11 534 ist ferner ein Abschaltthyristor bekannt, bei dem zum Verkleinern der Abschaltzeit ein Ladungsträgerrekombinationsbereich durch Implantation von Protonen oder von α-Teilchen erzeugt wird. Der Ladungsträgerrekombinationsbereich befindet sich innerhalb von 20 µm am PN-Übergang zwischen Anodenemitter und N-Typ-Basisschicht in der N-Typ-Basisschicht. Aus DE-OS 27 11 301 ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Argon bekannt. Aus DE 34 23 287 A1 ist darüber hinaus die Implantation chemisch und/oder elektrisch aktiver Ionen zur Einbringung von Rekombinationszentren in einen schmalen Bereich in der Tiefe der N-Typ-Basisschicht bekannt. Jedoch weist weder der aus der US 43 11 534 noch der aus der DE 34 23 287 A1 bekannte Abschalt-Thyristor eine Anodenemitterkurzschlußstruktur auf.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abschalt-Thyristor zu schaffen, bei dem einerseits die Abschaltzeit des Thyristors verkürzt ist und dennoch eine geringe Durchlaßspannung erzielt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Abschalt-Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Durchlaßspannungsabhängigkeit der Abschaltzeit darstellt.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Hauptspannungsabhängigkeit, die angelegt werden muß, von der Abschaltzeit darstellt.
In der Fig. 1 kennzeichnet die Bezugsziffer 21 eine N-Typ-Basisschicht, die Bezugsziffer 22 eine P-Typ-Basisschicht, die einen Hauptübergang zusammen mit der N-Typ-Basisschicht 21 ausbildet, Bezugsziffer 23 eine N-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 24 eine P-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 25 eine Anoden-N⁺-Typ-Schicht und die Bezugszeichen 26, 27 und 28 eine Anoden-, eine Kathoden- und eine Steuerelektrode, die aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, hergestellt sind. Die P-Typ-Emitterschicht 24 und die Anoden-N⁺-Typ-Schicht 25 werden durch die Anodenelektrode 26 kurzgeschlossen. Ein abgegrenzter Bereich in der N-Typ-Basisschicht 21 stellt den Ladungsträgerrekombinationsbereich 29 dar, der durch die Implantation von Protonen oder von Argon ausgebildet wird. Die Durchlaßspannung VT, zu der die N-Typ-Basisschicht beiträgt, wird durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben:
VT(NB)∝eW/(2L) (1)
Hierbei entspricht W der Dicke der N-Typ-Basisschicht 21 und L der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der N-Typ-Basisschicht 21. Das Verhältnis zwischen der Diffusionslänge L und der Lebensdauer t wird wiedergegeben durch die folgende Gleichung:
wobei D eine Diffusionskonstante ist.
Wenn die Lebensdauer im Rekombinationsbereich, welcher die Dicke W1 aufweist, im Bereich der N-Typ-Basisschicht 21 t1 (L1 = und die Lebensdauer im anderen Bereich t ist, erhält man folgende Gleichung:
VT(NB)∝eW1/(2L1)+W-W1/(2L)
Nimmt man an, daß die Lebensdauer von 1/3 des Bereichs der N-Typ-Basisschicht 21 mit Hilfe der Gleichungen (1) und (2) eingestellt wird, so entspricht die Lebensdauer von 1/3 des Bereichs ungefähr 1/3, um denselben Wert für VT(NB) zu erhalten, wie 1/2 des Elements, das nicht im Hinblick auf die Lebensdauer eingestellt wird, in der Lebensdauer einer gesamten N-Typ-Basisschicht. Mit anderen Worten, die Lebensdauer von den verbleibenden 2/3 des Bereiches bleiben in ihrem Originalzustand und die Durchlaßspannung behält ihren vorteilhaften Wert. Demnach ist es wirksam, die Lebensdauer in dem notwendigen Bereich zu verkürzen, sowohl in der Ausführungsform als auch im Vergleich mit der einheitlichen Lebensdauer in der gesamten N-Typ-Basisschicht 21, wenn ein schweres Metall, wie z. B. Gold, zur Verbesserung der Abschaltcharakteristik diffundiert wird. Da der Teil der N-Typ-Basisschicht 21 in der Nähe des Anodenkurzschlußbereichs frühzeitig leitend ist, selbst wenn er dick ist, ist es wirksam, die Lebensdauer in dem Bereich in der Nähe des Hauptübergangs der N-Typ-Basisschicht 21 zu verkürzen. Wenn Protonen mit einigen MeV implantiert werden, kann ein Ladungsträgerrekombinationsbereich von 100 µm oder mehr ausgebildet werden. Der GTO dieses Ausführungsbeispiels kann eine Erhöhung der Durchlaßspannung in dieser Art unterdrücken und kann ebenso die Abschaltzeit durch die Ausbildung des Rekombinationsbereichs 29 reduzieren.
Fig. 2 zeigt den Vergleich der Abhängigkeit der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit dieses Ausführungsbeispiels (Kurve 31) und eines herkömmlichen Beispiels (Kurve 32). Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Korrelation weitgehend verbessert. Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Hauptspannung VD, die angelegt werden muß, bezogen auf die Abschaltzeit, wobei die Kurve 33 das Ausführungsbeispiel und die Kurve 34 ein konventionelles Beispiel wiedergibt. In dem Ausführungsbeispiel ist die Abhängigkeit verringert. Dies geschieht, weil die Lebensdauer in der N-Typ-Basisschicht 21, die tief von dem Anodenkurzschlußbereich abgetrennt ist, verkürzt wird. Selbst wenn die Hauptspannung VD, die angelegt werden muß, niedrig ist und die Verlängerung der Verarmungsschicht klein ist, entspricht dies dem Fall, daß die Basisschicht im wesentlichen kurz ist.

Claims (3)

1. Abschalt-Thyristor
  • - mit einer Anodenkurzschlußstruktur (24, 25, 26),
  • - mit einer N-Typ-Basisschicht (21), die sich an die Anodenkurzschlußstruktur anschließt,
  • - mit einer P-Typ-Basisschicht (22), die sich an die N-Typ- Basisschicht anschließt und mit dieser einen Hauptübergang ausbildet,
  • - mit nur einem Ladungsträgerrekombinationsbereich (29), der in der N-Typ-Basisschicht (21) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerrekombinationsbereich (29)
  • - eine Dicke von bis zu der Hälfte der N-Typ-Basisschicht (21) besitzt und
  • - benachbart zum Hauptübergang zwischen der N-Typ- Basisschicht (21) und der P-Typ-Basisschicht (22) ausgebildet ist.
2. Abschalt-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerrekombinationsbereich (29) ausgebildet wird durch die Implantation von Protonen oder Argon.
DE19873733100 1986-10-01 1987-09-30 Abschalt-Thyristor Expired - Lifetime DE3733100C3 (de)

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