DE4218398A1

DE4218398A1 - Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE4218398A1
Application number: DE19924218398
Authority: DE
Inventors: Ezatollah Dr Ramezani; Peter Dr Streit
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-12-09

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft einen Hochstrom-Puls- Thyristor, umfassend

a) ein Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, von denen die eine einer Kathode und die andere einer Anode zugeordnet ist;
b) innerhalb des Halbleitersubstrats zwischen den bei den Hauptflächen eine Folge von unterschiedlich do tierten Schichten, welche von der ersten zur zweiten Hauptfläche fortschreitend einen n-Emitter, eine p- Basis, eine n-Basis, und einen p-Emitter umfaßt; und
c) eine auf der ersten Hauptfläche verteilt angeordnete Gatestruktur zum Zünden des Thyristors.

Ein solcher Thyristor ist z. B. als Frequenzthyristor für den Ersatz von Thyratrons aus der Druckschrift Brown Bo veri Technik 7-87 (1987), S. 401-408, bekannt.

STAND DER TECHNIK

Hochstrom-Pulse (von einigen kA) waren lange Zeit die Do mäne von Thyratrons. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Hochleistungs-Halbleiter hat es ermöglicht, hierzu auch Thyristoren einzusetzen. Dabei fiel die Wahl auf Fre quenzthyristoren mit stark verteiltem Gate, vorzugsweise rückwärts leitende Typen mit minimierter Dicke des Halb leitersubstrats (siehe dazu die eingangs genannte Druck schrift). Durch eine verstärkte Gateansteuerung gelingt es dabei, einen raschen Spannungszusammenbruch zu errei chen. Der Strom muß in dieser Phase jedoch durch eine Sättigungsdrossel reduziert werden, um dem Thyristor vor dem Hauptpuls genügend Zeit für die Plasmaausbreitung zu geben. Diese "Konditionierungsphase" ist bedeutend länger als die Zündverzugszeit des Thyristors.

Die Verwendung von Pilotthyristoren als Zündungsverstär kung (sog. "amplifying gate") bei Bauelementen für Puls anwendungen ist allerdings beschränkt. Sicher ist, daß bei Standard-Gateansteuerung der Pilotthyristor den Ein schaltvorgang stark unterstützt. Falls jedoch durch zu sätzliche Maßnahmen in der Ansteuerung das Schalten schneller und (in Serienschaltungen) besser synchronisiert werden soll, kann sich die dazwischengeschaltete Verstär kungsstufe mit ihrer beschränkten Stromtragfähigkeit auch als Nachteil herausstellen.

Andererseits ist unbestritten, daß für Pulsanwendungen verteilte Gatestrukturen einen wesentlichen Vorteil dar stellen. Ferner ist ein asymmetrisches Design mit mini mierter Dicke und eher schwacher Vershortung wesentlich für eine gute Plasmaausbreitung. Auch eine hohe Trägerle bensdauer ist diesbezüglich von Vorteil, falls die ent sprechend längeren Freiwerdezeiten von der Puls-Repetiti onsfrequenz her vertretbar sind. Doch alle diese Maßnahmen können nicht verhindern, daß zur vollen Belastbar keit derartiger klassischer Bauelemente die laterale Aus breitung der Plasmafront über mehrere bis wenige Zentime ter notwendig ist.

Auf der anderen Seite ist der Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) als gesteuert abschaltbares Hochleistungs-Bauele ment etabliert und gut bekannt. Der Aufbau entspricht dem eines Thyristors mit fein gegliederter Kathodenstruktur (Kathodenfinger) und fehlender Vershortung. Die feine Gliederung (Segmentierung) ermöglicht beim Abschalten den direkten und niederohmigen Zugriff der Steuerelektrode (Gate) auf die gesamte aktive Kathodenfläche.

Diese strukturelle Eigenschaft wird weiter unterstützt durch eine im Vergleich zum herkömmlichen Thyristor we sentlich niederohmigere p-Basis. Die statische und dyna mische Spannungsfestigkeit in Blockierrichtung, welche beim normalen Thyristor durch Kathodenshorts erhöht ist, wird beim GTO durch eine negative Gatevorspannung während aller nichtleitenden Phasen sichergestellt. Der Einsatz von Pilotthyristoren zur Zündungserleichterung ist in der vom klassischen Thyristor bekannten Art beim GTO nicht anwendbar.

Das oben beschriebene GTO-Design zielt ganz auf eine Op timierung der GTO-Abschaltfähigkeit gegen hohe Spannun gen. Für die Beherrschung der dabei auftretenden Aus schaltenergien (resp. der Schaltverlustleistungen bei ap plikationsgerechten Frequenzen) ist ferner eine relativ niedrige Trägerlebensdauer und/oder (beim asymmetrischen Vorzugstyp) eine effiziente Anodenvershortung zwingend. Man nimmt dabei in Kauf, daß GTOs wegen fehlender Ein schalt-Verstärkungsstrukturen, sehr langer zündwirksamer Emitterkontur (Turn-On-Linie), der hohen p-Basis-Konzen tration, sowie der Maßnahmen zur Verminderung der Aus schaltenergie, relativ schwer zündbar sind. Dies ist bei herkömmlichen Umrichter-Anwendungen nicht sehr nachtei lig, da die Einschalt-Stromsteilheiten meist aufgrund der Verluste in den Freilaufdioden begrenzt sind.

Vergleicht man die zuletzt dargestellten GTO-Merkmale mit den vorher diskutierten Anforderungen bei Pulsanwendun gen, so wird klar, daß der GTO eine geradezu ideale Gate-Verteilung mitbringt, welche die notwendige laterale Plasmaausbreitung auf ca. 100 µm beschränkt. Ferner ist die Kathode unvershortet. Die Tatsache, daß sich der GTO bisher trotzdem nicht als ideale Struktur für Strompulse erwiesen hat, liegt in der hierfür nachteiligen Optimie rung auf das Abschaltvermögen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Hochstrom-Puls- Thyristor zu schaffen, der aus den an sich bekannten GTO- Strukturen Nutzen für eine Verbesserung des Schaltverhal tens zieht, ohne die beim Standard-GTO vorhandenen gra vierenden Nachteile aufzuweisen, sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einem Thyristor der eingangs genann ten Art dadurch gelöst, daß

d) der n-Emitter nach Art eines GTO in Form einer Viel zahl von schmalen länglichen Kathodenfingern über die erste Hauptfläche verteilt ist, welche Kathoden finger von einer Gatemetallisierung umgeben sind;
e) die Dicke der p-Basis unterhalb der Kathodenfinger kleiner als 20 µm ist;
f) die Dotierungskonzentration in der p-Basis kleiner 1*10¹⁷ cm^-3, die Dotierungskonzentration im n-Emit ter größer 1*10²⁰ cm^-3 und die Dotierungskonzentra tion im p-Emitter größer 1*10¹⁹ cm^-3 ist; und
g) die Dicke des Halbleitersubstrats weniger als 500 µm beträgt.

Der Kern der Erfindung besteht darin, für den Hochstrom- Puls-Thyristor die Kathodenstruktur eines GTO einzuset zen, und das Bauelement dann vor allem hinsichtlich Ein schalt- und Durchlaßverhalten zu optimieren, ohne auf das beim GTO übliche optimierte Abschaltverhalten Rück sicht zu nehmen.

Der dadurch entstehende Design-Spielraum wird bei der Er findung dahingehend genutzt, daß

- auf eine Anodenvershortung verzichtet wird;
- das Bauelement in einem Zustand hoher Trägerlebens dauer belassen wird;
- das Bauelement mit hochdotierten, effizienten Emit ter auf Anoden- und Kathodenseite ausgestattet wird;
- die Dotierungskonzentration in der p-Basis auf Werte weit unterhalb derjenigen eines normalen GTOs redu ziert wird; und
- die für die Sperrfähigkeit erforderliche Dicke mini miert wird.

Alle fünf Maßnahmen zielen auf eine Optimierung der Ein schalt- und Durchlasseigenschaften des Bauelements. Die wichtigste ist die Schwächung der p-Basis unter dem Ka thodenemitter. Es ist unmittelbar einsichtig, daß damit das Bauelement zunehmend zündfreudig wird, und daß seine Einschaltverluste deutlich abnehmen. Andererseits kann das Bauelement im Gegensatz zu einem herkömmlichen Thyri stor nur noch mit einer verlustarmen, negativen Gatevor spannung vor dem selbständigen oder durch parasitäre Sig nale induzierten Einschalten bewahrt werden. Wie beim Standard-GTO muß auch hier im Blockierzustand der ge samte Sperr- und Verschiebestrom durch die Gate-Unit auf genommen werden. Es ist dazu von Vorteil, zwischen den Segmenten eine ausreichende p-Basis-Leitfähigkeit beizu behalten.

Den anderen Design-Änderungen sind höchstens insofern Grenzen gesetzt, als sie die Stromverstärkung des pnp- Teiltransistors erhöhen, also speziell bei erhöhten Tem peraturen zu erhöhten Sperrströmen führen und so den Tem peraturbereich einschränken können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Hoch strom-Puls-Thyristors nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß

a) der Thyristor stets mit einer antiparallel geschal teten Inversdiode betrieben wird;
b) der Thyristor im ausgeschalteten Zustand mit einer negativen Gatevorspannung beaufschlagt wird;
c) der Thyristor beim Einschalten mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben wird; und
d) das Abschalten als Gate-assisted turn-off erfolgt.

Ein Standard-Thyristor würde auf die oben beschriebenen Design-Änderungen unweigerlich mit einer langen Freiwer dezeit t_q reagieren. Der erfindungsgemäße Puls-Thyristor ist jedoch aufgrund seiner Abstammung vom GTO in geradezu idealer Weise für ein "Gate-assisted turn-off" geeignet: Beim (oder in der Nähe vom) natürlichen Stromnulldurch gang läßt sich über die Gateelektrode ein großer Teil der Löcher absaugen, so daß sich die Freiwerdezeit prak tisch maßgeschneidert auf die jeweilige Anwendung steu ern läßt, und zwar vorzugsweise mittels einer üblichen GTO-Gate-Unit.

Im Pulsbetrieb sollte das vorgeschlagene Bauelement vor allem mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben werden. Die von herkömmlichen Puls-Thyristoren bekannte Konditionierung des Pulsstromes ist beim neuen Bauelement zwar sinnvoll, aber nicht von gleicher Bedeutung wie bei jenem Thyristor. Die laterale Plasmaausbreitung ist hier nämlich derart unwesentlich, daß sehr steile Strompulse sogar gleichzeitig mit dem Spannungszusammenbruch einset zen können, ohne daß das Bauelement gefährdet wird. Da bei ist allerdings die Verlustenergie pro Puls erhöht ge genüber einer Betriebsart, in der mindestens eine Träger laufzeit verstreicht, bis der Hauptpuls einsetzt, also bipolare Leitung schon vor der steilen Stromflanke eta bliert ist. Damit ist angedeutet, daß ein Aufwand im Steuer- und Hauptstromkreis nicht primär dem Schutz des Bauelements dient, jedoch die Verluste und damit Puls- und Frequenzlimiten beeinflußt.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Bauelements als Puls- Thyristor erfolgt stets mit antiparalleler (Invers-)Diode und zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen dem positi ven Stromimpuls im Thyristor und dem negativen Umschwing strom in der Inversdiode kein Abschalten stattfindet. Während der Leitungsphase der Diode wird die negative Gatespannung wiederhergestellt und die Speicherladung mindestens derart reduziert, daß nach dem zweiten Null durchgang volle Blockierfähigkeit besteht.

Ein bevorzugte Ausführungsform des Bauelements nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Halbleiter substrat in einen Thyristorteil und einen Diodenteil un terteilt ist, wobei im Thyristorteil der Hochstrom-Puls- Thyristor und im Diodenteil die antiparallel zum Thyri stor liegende Inversdiode angeordnet sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Hochstrom- Pulsschaltung, in welcher der Thyristor nach der Erfindung eingesetzt werden soll;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Laststrom und An odenspannung beim Pulsbetrieb einer Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Gatestrom und Gatespannung beim Pulsbetrieb einer Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 4a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra tionen (b) bei einem GTO nach dem Stand der Technik;

Fig. 5a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra tionen (b) bei einem ersten Ausführungsbei spiel eines Hochstrom-Puls-Thyristors nach der Erfindung;

Fig. 6a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra tionen (b) bei einem zweiten Ausführungsbei spiel eines Hochstrom-Puls-Thyristors nach der Erfindung;

Fig. 7 Anordnung von Kathodenfingern und Gatekontakt auf der kathodenseitigen ersten Hauptfläche bei einem GTO nach dem Stand der Technik;

Fig. 8 Anordnung von Kathodenfingern und Gatekontakt auf der kathodenseitigen ersten Hauptfläche bei einem Ausführungsbeispiel eines Hoch strom-Puls-Thyristors nach der Erfindung;

Fig. 9 Aufteilung eines herkömmlichen Thyristors mit integrierter Inversdiode in Diodenteil und Thyristorteil; und

Fig. 10a-c verschiedene Ausführungsbeispiele für die Fig. 9 entsprechende Aufteilung bei einem Hochstrom-Puls-Thyristor nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Eine prinzipielle Hochstrom-Pulsschaltung 1, wie sie zur Erzeugung eines Hochstrom-Pulses verwendet wird, ist in Fig. 1 wiedergegeben. Sie umfaßt als Energiespeicher eine Kondensatorbatterie 2, die über eine aus Lastwider stand 4 und Lastinduktivität 5 bestehende Last mit Hilfe eines über ein Gate G steuerbaren Hochstrom-Puls-Thyri stors 6 entladen werden kann. Parallel zur Kondensator batterie 2 ist eine Diode 3 geschaltet. Antiparallel zum Hochstrom-Puls-Thyristor 6 liegt zwischen dessen Anode A und Kathode K eine Inversdiode 7, die als Freilaufdiode funktioniert. Die Ansteuerschaltung (Gate-Unit) für den Thyristor 6 ist der Einfachheit halber nicht eingezeich net.

Der Ablauf einer Pulserzeugung in der Hochstrom-Puls schaltung 1 nach Fig. 1 läßt sich anhand der in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verläufe der Anodenspannung U_A und des Laststromes I_L und der in Fig. 3 dargestellten entsprechenden Verläufe der Gatespannung U_G und des Gate stromes I_G erläutern: Bis zu einem ersten Zeitpunkt t1 ist der Thyristor 6 ausgeschaltet und es liegt die volle Blockierspannung an. Am Gate G liegt eine negative Gate spannung U_G. Vom Zeitpunkt ta bis tb wird auf das Gate G ein Zündstromimpuls gegeben, so daß vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 der Thyristor zunächst konditioniert wird und dann (nach der vollständigen Plasmaausbreitung) zwischen t2 und t3 den vollen Strompuls durchläßt.

Nach der Aufladung der Kondensatorbatterie 2 kehrt am Zeitpunkt t3 der Laststrom I_L seine Richtung um und fließt nunmehr durch die Inversdiode 7. Zum Zeitpunkt tc setzt ein Gate-Rückstrom ein, der bis zum Zeitpunkt te andauert. Zum Zeitpunkt td wird wieder eine negative Gatespannung auf das Gate gegeben, welche die Speicherla dung im Thyristor mindestens derart reduziert, daß er nach dem zweiten Nulldurchgang des Laststroms I_L sicher sperrt. Zwischen t4 und t5 fließt (nach erneutem Vorzei chenwechsel) der Recovery-Strom der Inversdiode 7, wäh rend gleichzeitig die Blockierspannung am Thyristor 6 wiederkehrt. Zwischen tf und tg schließlich tritt im Gatekreis noch ein Verschiebestrom auf, der für die Funk tion insgesamt aber keine weitere Rolle spielt.

Wichtig bei diesem Ablauf ist vor allem ein gutes Ein schalt- und Durchlaßverhalten des Thyristors 6, während das Abschalten ohne Schwierigkeiten in der Nähe des Last strom-Nulldurchgangs (bei t3) als Gate-assisted turn-off durchgeführt werden kann. Die darauf abgestellten Beson derheiten im inneren Aufbau des erfindungsgemäßen Thyri stors werden in einem Vergleich eines herkömmlichen GTO (Fig. 4) mit zwei Ausführungsbeispielen des Bauelements nach der Erfindung (Fig. 5 und 6) deutlich. Die Teile a) dieser drei Figuren zeigen dabei jeweils den inneren Auf bau eines Segmentes, während die Teile b) die dazugehöri gen Dotierungskonzentrationen C1, . . , C10 angeben.

Der herkömmliche GTO aus Fig. 4a besteht aus einem Halb leitersubstrat 8 mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen H1 und H2, die der Kathode (H1) und der Anode (H2) zuge ordnet sind. Zwischen den Hauptflächen H1 und H2 sind in nerhalb des Halbleitersubstrats 8 ein n-Emitter 12, eine p-Basis 13, eine n-Basis 14 und ein p-Emitter 15 in einer Schichtenfolge angeordnet. Der n-Emitter 12 ist dabei la teral auf eine Vielzahl von schmalen länglichen Kathoden fingern 11 beschränkt (siehe auch Fig. 7 und 8), die auf ihrer Oberseite jeweils einen Kathodenkontakt 9 in Form einer Al-Metallisierung tragen. Die p-Basis 13 weist un terhalb der Kathodenfinger 11 eine bestimmte Dicke d1 auf.

Die Kathodenfinger 11 sind allseitig von der an die Ober fläche tretenden p-Basis 13 umgeben, die auf der ersten Hauptfläche H1 mit einer Gatemetallisierung 10 (ebenfalls Al) versehen ist. Auf der Anodenseite ist der p-Emitter 15 von n⁺-dotierten Anodenkurzschlüssen 16 unterbrochen. Sowohl p-Emitter 15 als auch Anodenkurzschlüsse 16 werden auf der zweiten Hauptfläche H2 von einem Anodenkontakt 17 in Form einer durchgehenden Al-Metallisierung kontak tiert. Das Halbleitersubstrat 8 hat insgesamt eine Dicke D1 und weist in der Segmentachse die aus Fig. 4b ersicht lichen Dotierungskonzentrationen C1 bis C5 in den einzel nen Schichten bzw. Gebieten auf.

Für einen GTO mit 2,5 kV Sperrspannung ergeben sich dabei die folgenden typischen Werte für die Dicken d1 und D1 und Konzentrationen C1, . . ,C5:
d1 = 35 µm
D1 = ca. 550 µm
C1 = 1*10²⁰ cm^-3
C2 = 3*10¹⁷ cm^-3
C3 = 4*10¹³ cm^-3
C4 = 3*10¹⁸ cm^-3
C5 = 1*10²⁰ cm^-3.

Der Widerstand U/I in der p-Basis 13 beträgt dabei etwa 10 Ω.

Der Thyristor nach der Erfindung übernimmt grundsätzlich die GTO-Struktur. Ein ebenfalls für 2,5 kV ausgelegtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den entsprechenden Dicken d2 und D2 sowie Dotierungskonzentrationen C6 bis C9 hat etwa die folgenden Vergleichswerte:
d2 = 15 µm
D2 = ca. 430-480 µm
C6 = 2*10²⁰ cm^-3
C7 = 3*10¹⁶ cm^-3
C8 = C3 = 4*10¹³ cm^-3 C9 = 4*10¹⁹ cm^-3.

Der Widerstand U/I in der p-Basis 13 beträgt hier nun etwa 90 Ω.

Man erkennt, daß die Anodenkurzschlüsse weggelassen, die Dotierungen der Emitter wesentlich erhöht, Dicke und Do tierung der p-Basis 13 drastisch verringert und die Dicke des gesamten Bauelements vermindert worden sind. Dies führt genau zu den verbesserten Einschalt- und Durchlass eigenschaften, die bereits weiter oben erläutert worden sind.

Wird wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dargestellt, noch zusätzlich eine n-dotierte Stoppschicht 18 zwischen n-Basis 14 und p-Emitter 15 eingefügt, läßt sich bei sonst gleichbleibenden Daten die Dicke des Bauelements bei einer Dotierungskonzentration C10 in der Stoppschicht 18 von 1*10¹⁶ cm^-3 weiter auf Werte D3 zwischen 350 und 400 µm reduzieren, was den Durchlaßwiderstand weiter verringert.

Die Optimierung des GTO-ähnlichen Thyristors nach der Er findung auf Einschalt- und Durchlaßverhalten läßt auch Änderungen in der Anordnung und Ausgestaltung der katho denseitigen Fingerstruktur zu, die anhand der Fig. 7 und 8 erläutert werden können: Beim herkömmlichen GTO hoher Leistung gemäß Fig. 7 sind kathodenseitig (d. h., auf der ersten Hauptfläche H1) die einzelnen Kathodenfinger 11 in konzentrischen Ringen mit genügendem Abstand untereinan der angeordnet, damit die dazwischenliegende Gatemetalli sierung 10 einen genügend niederohmigen Gatezugriff für die beim Abschalten erforderlichen hohen Gateströme er laubt. Darüberhinaus ist aus dem gleichen Grunde ein großflächiger, ringförmiger Gatekontakt 19 zwischen den Kathodenfinger-Ringen vorgesehen, um den hohen Gatestrom möglichst gleichmäßig und verlustfrei zu allen Segmenten (mit den Kathodenfingern 11) bringen zu können.

Beim Thyristor nach der Erfindung kann gemäß Fig. 8 auf diese Art der Abschaltoptimierung verzichtet werden. Die Kathodenfinger 11 können hier wesentlich dichter angeord net werden. Für die Ansteuerung genügt ein kleines Zen tralgate 20, so daß insgesamt wesentlich mehr Segmente auf der gleichen Bauelementfläche unterzubringen sind und daß Durchlaßverhalten verbessern.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Thyri stors nach der Erfindung ist die Inversdiode 7 in das Halbleitersubstrat 8 integriert. Eine solche Integration ist für den herkömmlichen GTO z. B. aus der EP-B1-0 200 863 bekannt. Sie führt - wie in Fig. 9 dargestellt - dazu, daß das Halbleitersubstrat 8 in einen Thyristor teil 21 und einen Diodenteil 22 unterteilt wird, die mit ihren annähernd gleichen aktiven Flächen für gleiche No minalströme und ähnliche thermische Belastung bei einem repräsentativen Lastspiel ausgelegt sind.

Beim Thyristor nach der Erfindung dagegen kann gemäß Fig. 10 der Diodenteil 22 deutlich kleiner ausgebildet sein, weil die Diode nur für das Überschwingen beim Pulsbetrieb ausgelegt werden muß. Ein solcher ver kleinerter Diodenteil 22 ist möglich entweder als äußerer Ring um den Thyristorteil 21 (Fig. 10a), als von ei nem ringförmigen Thyristorteil 21 umschlossener Innenbe reich (Fig. 10b), oder in Form von über die gesamte Flä che verteilt angeordneten Diodenbereichen 23 (Fig. 10c), wodurch die ganze Kühlleistung beim Pulsbetrieb möglichst gleichmäßig genutzt wird.

Die oben bereits angesprochene Forderung nach einer mög lichst großen Trägerlebensdauer im Thyristorteil trifft dabei nur für diesen Teil zu, da daß Abschaltverhalten der Inversdiode 7 anderen Kriterien genügen muß und dort eine entsprechend verringerte Trägerlebensdauer erforder lich wird. Für die unterschiedliche Einstellung der Le bensdauer in den verschiedenen Teilen des Bauelementes kommen dann mehrere bekannte Arten der selektiven Lebens dauereinstellung in Betracht.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Thyristor, der hauptsächlich für den Betrieb mit Hochstrom-Pulsen optimiert ist. Es ist jedoch ebensogut auch denkbar, den Thyristor in Umrichtern mit natürlicher oder Zwangskommu tierung einzusetzen.

BEZEICHNUNGSLISTE

1 Hochstrom-Pulsschaltung
2 Kondensatorbatterie
3 Diode
4 Lastwiderstand
5 Lastinduktivität
6 Hochstrom-Puls-Thyristor
7 Inversdiode
8 Halbleitersubstrat
9 Kathodenkontakt
10 Gatemetallisierung
11 Kathodenfinger
12 n-Emitter
13 p-Basisschicht
14 n-Basisschicht
15 p-Emitter
16 Anodenkurzschluß
17 Anodenkontakt
18 Stoppschicht
19 Gatekontakt
20 Zentralgate
21 Thyristorteil
22 Diodenteil
23 Diodenbereich
A Anode
C1, . . , C10 Dotierungskonzentration
G Gate
I_G Gatestrom
I_L Laststrom
K Kathode
t1, . . , t5 Zeitpunkt
ta, . . , tg Zeitpunkt
d1, d2 Dicke (der p-Basisschicht)
D1, . . , D3 Dicke (des Halbleitersubstrats)
U_A Anodenspannung
U_G Gatespannung

Claims

1. Hochstrom-Puls-Thyristor (6), umfassend

a) ein Halbleitersubstrat (8) mit zwei gegenüberliegen den Hauptflächen (H1, H2), von denen die eine (H1) einer Kathode (K) und die andere (H2) einer Anode (A) zugeordnet ist;
b) innerhalb des Halbleitersubstrats (8) zwischen den beiden Hauptflächen (H1, H2) eine Folge von unter schiedlich dotierten Schichten, welche von der er sten (H1) zur zweiten Hauptfläche (H2) fortschrei tend einen n-Emitter (12), eine p-Basis (13), eine n-Basis (14), und einen p-Emitter (15) umfaßt; und
c) eine auf der ersten Hauptfläche (H1) verteilt ange ordnete Gatestruktur zum Zünden des Thyristors (6); dadurch gekennzeichnet, daß
d) der n-Emitter (12) nach Art eines GTO in Form einer Vielzahl von schmalen länglichen Kathodenfingern (11) über die erste Hauptfläche (H1) verteilt ist, welche Kathodenfinger (11) von einer Gatemetallisie rung (10) umgeben sind, und
e) die Dotierungskonzentration (C7) in der p-Basis (13) kleiner 1*10¹⁷ cm^-3 ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Dicke (D2) der p-Basis (13) unterhalb der Kathodenfinger (11) kleiner als 20 µm ist,
b) die Dotierungskonzentration (C6) im n-Emitter (12) größer 1*10²⁰ cm^-3 und die Dotierungskonzentration (C9) im p-Emitter (15) größer 1*10¹⁹ cm^-3 ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D1, D3) des Halbleitersubstrats (8) bei einer Sperrspannung des Thyristors von ungefähr 2.5 kV weniger als 500 µm, bei einer Sperrspannung von ungefähr 4.5 kV weniger als 700 µm beträgt.

4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d2) der p-Basis (13) etwa 15 µm beträgt.

5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentrationen (C6, C7, C9) in dem n- Emitter (12) etwa 2*10²⁰ cm^-3, in der p-Basis (13) etwa 3*10¹⁶ cm^-3 und in dem p-Emitter (15) etwa 4*10¹⁹ cm^-3 betragen.

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D2) des Halbleitersubstrats (8) zwischen 430 und 480 µm beträgt.

7. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwischen der n-Basis (14) und dem p-Emitter (15) eine n-dotierte Stoppschicht (18) vorgesehen ist; und
b) die Dicke (D3) des Halbleitersubstrats (8) zwischen 350 und 400 µm beträgt.

8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Kathodenfinger (11) auf der ersten Hauptfläche wesentlich größer ist, als bei einem herkömmlichen GTO.

9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (8) in einen Thyristorteil (21) und einen Diodenteil (22) unterteilt ist, wobei im Thyristorteil (21) der Hochstrom-Puls-Thy ristor und im Diodenteil (22) eine antiparallel zum Thy ristor liegende Inversdiode (7) angeordnet sind.

10. Thyristor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die aktive Fläche des Diodenteils (22) wesentlich kleiner ist als die aktive Fläche des Thyristor teils; und
b) selektiv im Diodenteil (22) die Trägerlebensdauer reduziert ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Thyristor stets mit einer antiparallel geschal teten Inversdiode (7) betrieben wird;
b) der Thyristor im ausgeschalteten Zustand mit einer negativen Gatevorspannung beaufschlagt wird;
c) der Thyristor beim Einschalten mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben wird; und
d) das Abschalten als Gate-assisted turn-off erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor mit einer üblichen GTO-Gate-Unit ange steuert wird.