DE3802050C2 - Abschaltthyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abschaltthyristor (GTO- Thyristor) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Hauptteil einer herkömmlichen, nachstehend als Segment bezeichneten Abschalt­ thyristoreinheit mit Vierschichtenaufbau aus einer p-Emitter­ schicht 1, einer n-Basisschicht 2, einer p-Basisschicht 3 und einer n-Emitterschicht 4 zeigt. Auf die p-Emitterschicht 1 ist als erste Hauptelektrode beispielsweise eine Anodenelek­ trode 5 aufgebracht. Auf die p-Basisschicht 3 ist eine Gate- bzw. Steuerelektrode 6 aufgebracht. Auf die n-Emitterschicht 4 ist als zweite Hauptelektrode eine Kathodenelektrode 7 aufgebracht. Die n-Emitterschicht 4 hat die Form eines Strei­ fens oder einer rechteckigen Insel.

Fig. 4 ist eine Draufsicht, die von oben auf die Kathoden­ elektrode 7 gesehen einen Abschaltthyristor mit vier Segmen­ ten zeigt, von denen eines in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Thyristor sind die Anoden und auch die Kathoden der vier Segmente parallel geschaltet, während die Gateelektroden 6 als gemeinsame Gateelektroden miteinander verbunden sind. Ein abschaltbarer Durchlaßstrom, nämlich eine Stromabschaltung als eines der wichtigen Merkmale des Abschaltthyristors, wird dadurch erreicht, daß aus der gemeinsamen Steuerelektrode 6 ein Steuerstrom abgeleitet wird.

In einem Abschaltthyristor, in dem mehrere Segmente parallel zueinander angeordnet sind, weichen die elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Segmente, wie die Durchlaßspannungen und die Steueranschluß-Impedanzwerte, von­ einander ab, so daß bei dem Abschalten des Abschaltthyristors die Betriebsvorgänge bei dem Ableiten der Steuerströme aus den Gateelektroden der jeweiligen Segmente nicht unter den Segmenten gleich sind. Während der letzten Phase des Ab­ schaltvorgangs des Abschaltthyristors ergibt ein bestimmtes Segment, wie beispielsweise ein Segment mit niedriger Durch­ laßspannung oder hoher Steueranschluß-Impedanz, infolge der Konzentration des Stroms an dem bestimmten Segment einen "Abschaltausfall". Durch die Konzentration des Stroms an dem bestimmten Element ist eine Steigerung des abschaltbaren Durchlaßstroms des Abschaltthyristors verhindert. Bei dem Formen der jeweiligen Schicht oder Zone in einem herkömmli­ chen Diffusionsprozeß oder einem herkömmlichen Injektions­ prozeß zur Ladungsträger-Lebensdauerverkürzung bestehen Ein­ schränkungen hinsichtlich der gleichförmigen Gestaltung der elektrischen Eigenschaften aller Segmente, so daß keine merk­ liche Steigerung des abschaltbaren Durchlaßstroms zu erwarten ist.

Die Druckschrift EP 0 220 469 A1 offenbart einen Abschaltthyristor, bei dem eine Abstandsschicht aus polykristallinem Silizium zwischen einer flachen Anschlußelektrode und den Kathodenelektroden ausgebildet ist. Die elektrischen Eigenschaften dieser Schicht sind jedoch darin nicht näher beschrieben.

Weiterhin offenbart die US 3 611 072 einen Abschaltthyristor, bei dem der kathodenseitige Emitter unter den Gatebereich verlängert ist. Durch Ausnutzung des Widerstandsverhaltens der verlängerten Emitterzone wird beim Abschalten dieses Bauelementes eine gezielte Strromführung durch diese Emitterzone bewirkt.

Aus der US 4 127 863 ist ein Abschaltthyristor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem auf die inselförmigen, mit jeweils einer Elektrode abgedeckten Emitterschichten eine durchgehende Halbleiterschicht ausgebildet wird, auf die nachfolgend eine durchgehende Elektrodenschicht aufgebracht wird. Die durchgehende Halbleiterschicht soll dazu dienen, den Stromfluß über die inselförmigen Emitter zu homogenisieren. Das Aufbringen des durchgehenden Halbleiterschicht auf die Kathodenelektroden der inselförmigen Emitter kann allerdings zu inhomogenen Übergangswiderständen zwischen den Kathodenelektroden und der durchgehenden Halbleiterschicht führen, insbesondere dann, wenn die Berührung nicht über der gesamten Kontaktfläche gleichmäßig ist.

Ferner können in der durchgehenden Halbleiterschicht Querströme auftreten, wenn die Potentiale an den Berührungspunkten voneinander abweichen.

Somit kann auch hier das Stromgleichgewicht der über die inselförmigen Emitter fließenden Ströme gestört sein, was zu einer erhöhten Verlustleistung während des Abschaltens des GTO-Transistors führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abschaltthyristor zu schaffen, der auch bei hohen Durchlaßströmen ein zuverlässiges Abschalten bei verhältnismäßig niedriger Durchlaßspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die zwischen den inselförmigen Emittern und den darauf aufgebrachten Elektroden angeordneten Widerstandsschichten, deren Widerstandswert im Bereich zwischen 15 mΩ/mm² und 500 mΩ/mm² festgelegt ist, läßt sich ein homogener, über alle inselförmigen Emitter im wesentlichen gleichmäßig verteilter Stromübergang sicherstellen, wobei der Durchlaßspannungsabfall verhältnismäßig niedrige, unproblematische Werte aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von Hauptteilen des Abschaltthyristors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht von Hauptteilen des Abschaltthyristors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht von Hauptteilen eines herkömmlichen Abschaltthyristors.

Fig. 4 ist eine Draufsicht, die alle Segmente eines Abschaltthyristors zeigt.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang des Verhältnisses zwischen abschaltbaren Durch­ laßströmen bei dem Abschaltthyristor gemäß den Ausführungs­ beispielen bzw. bei dem Abschaltthyristor nach dem Stand der Technik sowie einer Durchlaßspannung mit dem spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht veranschaulicht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele des Ab­ schaltthyristors. Hierbei sind zur Bezeichnung gleichartiger Komponenten wie die in den Fig. 3 und 4 die gleichen Bezugs­ zeichen verwendet.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist auf die obere Fläche der streifenförmigen oder inselförmigen n-Emitterschicht 4 in jedem von mehreren Segmenten eine Wi­ derstandsschicht 8 aufgebracht, die im Ausführungsbeispiel aus poly­ kristallinem Silicium besteht. Die Kathodenelektrode 7 ist auf der oberen Fläche der Widerstandsschicht 8 angeordnet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel des Abschaltthyristors ist die Widerstandsschicht 8 nicht direkt auf die obere Fläche der n-Emitterschicht 4 aufgebracht, sondern zwischen eine auf die obere Fläche der n-Emitter­ schicht 4 aufgebrachte Metallschicht 9 und die untere Fläche der Kathodenelektrode 7 eingefügt. Diese Gestaltung ergibt eine freiere Wahl eines Materials für die Widerstandsschicht 8 aus einer Vielfalt von Materialien.

Durch das Einfügen der Widerstandsschicht 8 zwischen die n- Emitterschicht 4 und die Kathodenelektrode 7 in einem einzel­ nen Segment kann der abschaltbare Durchlaßstrom beträchtlich erhöht werden.

Die Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen dem abschaltbaren Durchlaßstrom in dem Abschaltthyristor gemäß den Ausführungs­ beispielen und dem abschaltbaren Durchlaßstrom in dem Ab­ schaltthyristor nach dem Stand der Technik sowie die Durch­ laßspannung im Zusammenhang mit dem spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht 8. Wenn für die Widerstandsschicht 8 auf der n-Emitterschicht 4 ein spezifischer Widerstand von 15 mOhm/mm² oder darüber gewählt wird, ist ein beträchtlicher Anstieg des abschaltbaren Durchlaßstroms zu beobachten. Ande­ rerseits nimmt auch entsprechend dem Anstieg des Widerstands der Widerstandsschicht 8 die Durchlaßspannung zu, so daß die Durchlaßspannung über 1,5 V ansteigt, wenn der spezifische Widerstand 500 mOhm/mm² übersteigt. Infolgedessen steigt die durch den über den Thyristor fließenden Strom verursachte Durchlaßverlustleistung des Thyristors an, so daß daher im Hinblick auf die Herstellungskosten ein Kühlkörpergebilde für den Abschaltthyristor teuer wird.

Daher ist es bei dem Abschaltthyristor gemäß den Ausführungs­ beispielen für das wirkungsvolle Verbessern des abschaltbaren Durchlaßstroms ohne eine bedeutende Erhöhung der Durchlaß­ spannung durch die Widerstandsschicht 8 vorteilhaft, den Widerstand der Widerstandsschicht 8 in einem Bereich von 15 mOhm/mm² bis 500 mOhm/mm² festzulegen.

Bei dem Abschaltthyristor gemäß den Ausführungsbeispielen ist zwischen die rechteckige oder inselförmige n-Emitterschicht und die Hauptelektrode die Widerstandsschicht eingefügt. Infolgedessen tritt an der Widerstandsschicht 8 ein Span­ nungsabfall auf, der insbesondere während der letzten Phase des Abschaltvorgangs die Stromkonzentration an einem bestimm­ ten Segment verhindert, so daß infolgedessen der Ausgleich der über die jeweiligen Segmente fließenden Ströme verbessert ist. Ferner wird durch den Spannungsabfall der Anodenstrom abgeleitet, so daß der abgeleitete Strom zu dem Steueran­ schluß fließt. Als Folge hiervon werden die über die jeweili­ gen Segmente fließenden Ströme und die Abschaltzeiten der jeweiligen Segmente einander angeglichen. Es ist daher er­ sichtlich, daß der abschaltbare Durchlaßstrom beträchtlich erhöht werden kann. Wenn im einzelnen der Widerstand der Widerstandsschicht 8 15 mOhm/mm² übersteigt, werden die vor­ stehend beschriebenen Wirkungen weiter gesteigert, wobei der Anstieg der Durchlaßspannung dadurch in einem geeigneten Bereich gesteuert werden kann, daß der Widerstand der Wider­ standsschicht 8 nicht über 500 mOhm/mm² hinausgehend gewählt wird.

Claims (2)

1. Abschaltthyristor mit einer ersten Hauptelektrode, einer auf der ersten Hauptelektrode angeordneten Emitterschicht eines ersten Leitungstyps, einer auf der Emitterschicht angeordneten ersten Basisschicht eines zweiten Leitungstyps, einer auf der ersten Basisschicht angeordneten zweiten Basisschicht des ersten Leitungstyps, mehreren auf der zweiten Basisschicht angeordneten, jeweils inselförmigen Emitterschichten des zweiten Leitungstyps, einer Steuerelektrode, die an einem Bereich der zweiten Basisschicht außerhalb der Bereiche angeordnet ist, an denen die mehreren Emitterschichten angeordnet sind, und mehreren zweiten Hauptelektroden, die jeweils auf den mehreren Emitterschichten angeordnet sind, gekennzeichnet durch mehrere Widerstandsschichten (8), die jeweils zwischen die mehreren Emitterschichten (4) des zweiten Leitungstyps und die mehreren zweiten Hauptelektroden (7) eingefügt sind, wobei der Widerstand jeder der mehreren Widerstandsschichten (8) in dem Bereich von 15 mOhm/mm² bis 500 mOhm/mm² festgelegt ist.

2. Abschaltthyristor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Metallschichten (9), die jeweils zwischen die mehre­ ren Emitterschichten (4) des zweiten Leitungstyps und die mehreren Widerstandsschichten (8) eingefügt sind.