DE3917769A1 - Thyristor mit emitter-nebenschluessen - Google Patents
Thyristor mit emitter-nebenschluessenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor nach dem Ober
begriff des Patentanspruchs 1.
Ein Thyristor dieser Art ist aus der US-A 40 79 406 bekannt.
Dabei kann man die Ansätze einer der Basisschichten, die den
an diese angrenzenden Emitter durchdringen und zusammen mit
dem Emitter von einer Hauptelektrode des Thyristors kontak
tiert werden, als Emitter-Nebenschlüsse bezeichnen. Sie bewir
ken insbesondere eine Verringerung der dU/dt-Empfindlichkeit
des Thyristors gegenüber plötzlich ansteigenden Blockierspan
nungen U und bei abschaltbaren Thyristoren eine Verringerung
der beim Abschalten auftretenden Verlustleistung sowie der
Abschaltzeit.
Der Zündstrom solcher Thyristoren zeigt jedoch eine starke,
monotone Temperaturabhängigkeit. Er kann z. B. bei minus 30°C
mehr als das Hundertfache des Zündstroms bei 120°C betragen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin,
einen Thyristor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem
die Temperaturabhängigkeit des Zündstroms durch einfache Maß
nahmen beseitigt oder zumindest stark verringert ist. Das wird
erfindungsgemäß durch eine Ausbildung nach dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs erreicht.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere
darin, daß durch die wenigstens teilweise aus heißleitendem
Halbleitermaterial bestehenden Ansätze einer der Basisschich
ten, die Teile der Emitter-Nebenschlüsse darstellen, der Tem
peraturgang des Zündstroms beseitigt oder stark verringert
wird. Außerdem wird durch eine solche Ausbildung der Emitter-
Nebenschlüsse der Temperaturbereich, in dem die maximale Sperr
spannung des Thyristors in Vorwärtsrichtung gewährleistet ist,
in Richtung auf höhere Temperaturen wesentlich erweitert.
Die Patentansprüche 2 bis 7 sind auf bevorzugte Ausgestaltun
gen und Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläu
tert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen nach der Erfindung ausgebildeten Thyristor und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Bändermodells eines
für die Emitter-Nebenschlüsse verwendeten heißleiten
den Halbleitermaterials.
In Fig. 1 ist ein Thyristor mit einem aus dotiertem Halblei
termaterial, zum Beispiel Silizium, bestehenden Halbleiterkör
per dargestellt. Er weist vier aufeinanderfolgende Schichten
abwechselnder Leitungstypen auf. Von diesen bezeichnet man die
aus den n-leitenden Teilschichten 1 a und 1 b bestehende Schicht
als den n-Emitter, die p-leitende Schicht 2 als die p-Basis,
die n-leitende Schicht 3 als die n-Basis und die p-leitende
Schicht 4 als den p-Emitter. Der n-Emitter ist mit einer ka
thodenseitigen Elektrode versehen, deren untereinander und mit
einem gemeinsamen Anschluß K verbundene Teile 5 und 6 jeweils
die Teilschichten 1 a und 1 b kontaktieren. Der p-Emitter ist
mit einer anodenseitigen Elektrode 7 aus elektrisch leitendem
Material, zum Beispiel A1, versehen, die einen Anschluß A auf
weist. Der Anschluß Z einer Gateelektrode 8, die die p-Basis 2
in der ersten Hauptfläche 9 kontaktiert, wird zum Zünden des
Thyristors in an sich bekannter Weise mit einem positiven Zünd
spannungsimpuls beaufschlagt und, wenn es sich um einen ab
schaltbaren Thyristor (GTO) handelt, auch mit einem die Ab
schaltung bewirkenden, negativen Löschspannungsimpuls.
Mit 10 sind Ausnehmungen des p-Emitters 4 bezeichnet, die von
n-leitenden Ansätzen 11 der n-Basis 3 ausgefüllt werden. Die
Ansätze 11 der n-Basis 3 werden durch ihre unterhalb der zwei
ten Hauptfläche 12 liegenden, n-leitenden Teile 11 a verlän
gert die jeweils aus dotiertem, heißleitendem Halbleitermate
rial bestehen. Dabei füllt jedes der Teile 11 a eine Ausnehmung
13 der Elektrode 7 aus. Jedes Teil 11 a ist mit einer ab
schließenden Zone 11 b versehen, die einen erhöhten Dotierungs
grad aufweist, um eine gute Kontaktierung des Teils 11 a, 11 b
durch die Elektrode 7 im Bereich der Bodenfläche 13 a der Aus
nehmung 13 sicherzustellen. Wegen der schwächeren Dotierung
des Ansatzteils 11 a außerhalb der Zone 11 b ist die Kontaktie
rung durch die Elektrode 7 praktisch auf die Bodenfläche 13 a
der Ausnehmung 13 begrenzt.
Andererseits kann die Kontaktierung durch die Elektrode 7 auch
dadurch auf die Bodenflächen der Ausnehmungen 13 beschränkt
werden, daß sich die Teile 11 a unter Weglassung der Zonen 11 b
jeweils bis zu den Bodenflächen 13 a erstrecken und zusätzlich
elektrisch isolierende Schichten vorgesehen sind, welche die
seitlichen Wandungsteile der Ausnehmungen 13 bedecken und so
mit gegenüber den Teilen 11 a elektrisch isolieren, jedoch die
Bodenflächen 13 a nicht bedecken. Die Schichten sind in Fig. 1
durch gestrichelte Linien 14 angedeutet.
Die Teile 7, 11, 11 a und gegebenenfalls 11b bilden anodensei
tige Emitter-Nebenschlüsse, das heißt widerstandsbehaftete
Verbindungen zwischen dem p-Emitter 4 und der n-Basis 3. Zur
Verringerung oder Beseitigung des genannten Temperaturgangs
des Thyristorzündstroms sind die Teile 11 a und gegebenenfalls
11b aus heißleitendem Halbleitermaterial, zum Beispiel Sili
zium, hergestellt. Dabei verringert der bei niedrigen Tempe
raturen relativ große Nebenschlußwiderstand, der durch die
heißleitenden Eigenschaften der Teile 11 a und eventuell 11b
bedingt ist, den Zündstrom, während bei hohen Temperaturen der
dann relativ niedrige Nebenschlußwiderstand den erforderlichen
Zündstrom erhöht. Damit gelingt es, den Temperaturgang des
Zündstroms zu beseitigen oder zumindest wesentlich zu ver
ringern. Es läßt sich zeigen, daß sich der Nebenschlußwider
stand in einem Temperaturbereich von -30°C bis 125°C etwa um
einen Faktor von 10 bis 13 verringern muß, um den Zündstrom
praktisch konstant zu halten.
Die Heißleitung der n-leitenden Teile 11 a und gegebenenfalls
11b wird durch Einbringung eines Dotierstoffes mit den im Bän
dermodell nach Fig. 2 gekennzeichneten Energielagen der ein
zelnen Dotierstoffatome erreicht. In Fig. 2 sind im einzelnen
die Energiewerte W der Elektronen im Kristallgitter des heiß
leitenden Halbleitermaterials in vertikaler Richtung über der
Ortskoordinate aufgetragen. Die Unterkante des Leitungsbandes
LB ist mit 15 bezeichnet, die Oberkante des Valenzbandes VB
mit 16. Die eine n-Leitung bewirkenden Donatorniveaus des
Dotierstoffes weisen Energielagen 17 auf, die durch waagrechte
Striche bestimmmt sind. Jeder dieser Striche versinnbildlicht
ein Energieniveau eines in das Kristallgitter eingebauten
Dotierstoffatoms. Der mit D1 bezeichnete Energiedifferenzbe
trag zwischen der Unterkante 15 des Leitungsbandes und dem
höchsten Energieniveau 17 jedes einzelnen Donatoratoms ist
größer als der entsprechende Differenzbetrag zwischen der
Unterkante des Leitungsbandes in der n-Basis 3 und den
Energieniveaus der Donatoratome, die in die n-Basis 3 ein
gebracht sind und deren Leitfähigkeit bestimmen. Dadurch
wird das Leitungsband LB erst bei höheren Temperaturen zu
nehmend mit Ladungsträgern versorgt und dadurch zunehmend
leitend. Dabei hat sich gezeigt, daß das höchste Donatorniveau
17 um etwa 0,3 eV unterhalb der Kante 15 liegen sollte. Die in
dem die Heißleitung bewirkenden Dotierstoff unter Umständen
vorhandenen Akzeptorniveaus sind durch die horizontalen Stri
che 18 angedeutet. Dabei muß ihr Abstand bzw. Energiediffe
renzbetrag D 2 gegenüber der Oberkante 16 des Valenzbandes VB
größer sein als D1, um die n-Leitfähigkeit des heißleitenden
Materials zu bewährleisten. Geeignete Dotierstoffe, die in
Silizium eingebracht werden können, um nach obigem die Eigen
schaften eines n-leitenden Heißleiters zu erhalten, gehören
einer Dotierstoffgruppe an, zu der Molybdän, Germanium,
Cäsium, Barium, Selen und Niob gehören.
Die Herstellung der Teile 11 a und 11 b erfolgt zweckmäßigerwei
se so, daß zunächst der Halbleiterkörper des Thyristors bis
zur Hauptfläche 12 realisiert wird und auf dieser mittels
eines Epitaxieverfahrens eine Halbleiterschicht abgeschieden
wird, die dann mittels eines maskierten Ätzschritts zwischen
den einzelnen Ansatzteilen 11 a wieder bis auf die Hauptfläche
12 weggeätzt wird. Die dabei stehenbleibenden Teile der Halb
leiterschicht bilden die Ansatzteile 11 a. Vor dem Ätzschritt
kann gegebenenfalls eine ganzflächige, flache, zusätzliche Do
tierung der Halbleiterschicht erfolgen, um die Zonen 11 b zu
erzeugen.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung unterscheiden sich
dadurch, daß die Emitter-Nebenschlüsse im Bereich des n-Emit
ters realisiert sind. Zur Erläuterung kann Fig. 1 herangezo
gen werden, wenn man die Leitungstypen der Halbleiterteile
durch die jeweils entgegengesetzten ersetzt und diesen Ströme
und Spannungen jeweils entgegengesetzter Polung zuführt. Dabei
müssen die Bezeichnungen A und K miteinander vertauscht
werden, da 7 dann die kathodenseitige Elektrode und 8 die ano
denseitige Elektrode bedeuten. Bei den n-Emitter-Nebenschlüs
sen müssen die Ansätze 11 a und gegebenenfalls 11b mit einem
Dotierstoff versehen sein, dessen niedrigstes Akzeptorniveau
auf einem Energieniveau 18 und dessen höchstes Donatorniveau
auf einem Energieniveau 17 liegen. Der Energiedifferenzbetrag
D 1 muß hierbei größer sein als der Abstand D 2 des Energie
niveaus 18 von der Oberkante des Valenzbandes VB, um in diesem
Fall die p-Leitfähigkeit des heißleitenden Materials zu ge
währleisten. Der Energiedifferenzbetrag D 2 ist dabei größer
als der entsprechende Energiedifferenzbetrag zwischen der
Oberkante des Valenzbandes und dem niedrigsten Akzeptorniveau
bei dem in die p-Basis eingebrachten und deren Leitfähigkeit
bestimmenden Dotierstoff.
Claims (7)
1. Thyristor mit einer Folge von Halbleiterschichten alternie
render Leitungstypen, die einen in einer ersten Hauptfläche
(9) von einer kathodenseitigen Elektrode (5, 6) kontaktierten
n-Emitter (1 a, 1 b), eine p-Basis (2), eine n-Basis (3) und
einen in einer zweiten Hauptfläche (12) von einer anodenseiti
gen Elektrode (7) kontaktierten p-Emitter (4) darstellen, bei
dem einer der Emitter (4) mit Ausnehmungen (10) versehen ist,
die von Ansätzen (11, 11 a) der angrenzenden Basis (3) ausge
füllt sind, welche gemeinsam mit diesem Emitter (4) von einer
der Elektroden (7) kontaktiert werden, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ansätze (11, 11 a) der Basis
(3) jeweils wenigstens teilweise (11a) aus einem dotierten,
heißleitenden Halbleitermaterial bestehen, dessen Leitungstyp
dieser Basis (3) entspricht.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das heißleitende Halbleitermaterial n-lei
tend ist und einen die Heißleitung bestimmenden Dotierstoff
enthält, dessen höchstes Donatorniveau auf einem Energieniveau
(17) liegt, das um einen ersten Differenzbetrag (D1) unterhalb
des Leitungsbandes (LB) liegt, daß der erste Differenzbetrag
(D 1) größer ist als der entsprechende Differenzbetrag bei dem
die Leitfähigkeit der n-Basis (3) bestimmenden, in diese
eingebrachten Dotierstoff und daß das in dem die Heißleitung
bestimmenden Dotierstoff unter Umständen vorhandene Akzeptor
niveau auf einem Energieniveau (18) liegt, das um einen
zweiten Differenzbetrag (D 2) oberhalb des Valenzbandes (VB)
liegt, wobei der zweite Differenzbetrag (D 2) größer ist als
der erste (D1).
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das heißleitende Halbleitermaterial
p-leitend ist und einen die Heißleitung bestimmenden Dotier
stoff enthält, dessen niedrigstes Akzeptorniveau auf einem
Energieniveau liegt, welches um einen dritten Differenzbetrag
oberhalb des Valenzbandes liegt, daß der dritte Differenzbe
trag größer ist als der entsprechende Differenzbetrag bei dem
die Leitfähigkeit der p-Basis bestimmenden, in diese einge
brachten Dotierstoff und daß das in dem die Heißleitung
bestimmenden Dotierstoff unter Umständen vorhandene höchste
Donatorniveau auf einem Energieniveau liegt, das um einen
vierten Differenzbetrag unterhalb des Leitungsbandes liegt,
wobei der vierte Differenzbetrag größer ist als der dritte.
4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein aus heißleitendem Halb
leitermaterial bestehender Teil (11 a) eines Ansatzes (11, 11 a)
der Basis (3) so angeordnet ist, daß er eine Ausnehmung (13)
der Elektrode (7), die den an diese Basis (3) angrenzenden
Emitter (4) kontaktiert, ausfüllt und die Elektrode (7) im
Bereich der Bodenfläche (13 a) dieser Ausnehmung (13) kontak
tiert.
5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der aus heißleitendem Halbleitermaterial
bestehende Teil (11 a) des Ansatzes (11, 11 a) der Basis (3)
eine abschließende Zone (11 b) aufweist, die einen höheren Do
tierungsgrad hat als der übrige Teil des Ansatzes (11, 11 a),
und daß diese Zone (11 b) die Elektrode (7) im Bereich der Bo
denfläche (13 a) ihrer Ausnehmung (13) kontaktiert.
6. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der aus heißleitendem Halbleitermaterial
bestehende Teil (11 a) des Ansatzes (11, 11a) der Basis (3)
durch eine elektrisch isolierende Schicht (14) von der Elek
trode (7) getrennt ist, wobei diese Schicht (14) im Bereich
der Bodenfläche (13 a) der Ausnehmung (13) entfällt.
7. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das heißlei
tende Halbleitermaterial aus Silizium besteht und daß der die
Heißleitung bestimmende Dotierstoff eine n-Leitfähigkeit be
stimmt und einer Gruppe von Dotierstoffen angehört, zu der
Molybdän, Germanium, Cäsium, Barium, Selen und Niob gehören.
Priority Applications (1)
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DE19893917769 DE3917769A1 (de) | 1989-05-31 | 1989-05-31 | Thyristor mit emitter-nebenschluessen |
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