DE3917769A1 - Thyristor mit emitter-nebenschluessen - Google Patents

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.