DE4305040C2 - Freilaufdiode für einen GTO-Thyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Freilaufdioden sind Stand der Technik. Sie werden in Umrichtern eingesetzt, wo sie GTO-Thyristoren antipa­ rallel geschaltet werden. Diese Dioden werden etwa die Hälfte der Zeit mit einer Gleichspannung belastet. Zur Verringerung der Durchlaßverluste sind sie im allgemeinen so dimensioniert, daß die Raumladungszone bei Erreichen der maximalen Sperrspannung bis in die hochdotierte Kato­ denzone hineinreicht. Ein geringer Teil der Sperrspannung fällt daher in der hochdotierten Katodenzone ab.

Es hat sich gezeigt, daß solche Dioden selbst dann spontan durch Verlust ihrer Sperrfähigkeit ausfallen können, wenn sie mit einer Sperrspannung betrieben werden, die erheb­ lich unter der Nennsperrspannung liegt. Die genaue Ursache hierfür ist noch nicht vollständig geklärt. Es wird vermu­ tet, daß sie durch Höhenstrahlung verursacht werden. Diese erzeugt offensichtlich Mikroplasmen, die einen Ionisati­ onskanal im Halbleiterkörper zur Folge haben. Innerhalb dieses Kanals tritt eine so hohe Stromdichte auf, daß die Diode überhitzt und zerstört wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine Freilaufdiode zu schaffen, bei der ohne Erhöhung der Durchlaßverluste die genannten spontanen Ausfälle redu­ ziert werden.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Diode als Freilaufdiode für einen GTO-Thyristor verwendet wird.

Die maximale Sperrspannung ist diejenige Sperrspannung, die sich in erster Näherung aus den Größen Dicke und Do­ tierung der Mittelzone ergibt.

Aus dem Stand der Technik ist zwar aus DE 36 31 136 eine Diode bekannt, die die Merkmale des Oberbe­ griffs des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufweist. Aus diesem Dokument ergibt sich jedoch kein Hinweis darauf, daß die Diode nach dem Stand der Technik als Freilaufdiode für einen GTO-Thyristor Verwendung finden kann. Die Er­ kenntnis der Zerstörungsgefahr für Freilaufdioden für ei­ nen GTO-Thyristor durch Höhenstrahlung ist diesem Stand der Technik somit nicht entnehmbar.

Aus E. Spenke: "PN-Übergänge", Springer-Verlag, 1979, Seite 58 bis 65 sowie aus H. Schlangenotto et al in: Wiss. Ber. AEG-Telefunken 55 (1982) 1 bis 2, Seite 7 bis 24 sind Untersuchungen an pn-Übergängen bzw. pnn⁺-Strukturen be­ kannt. Dort wird beispielsweise beschrieben, daß auch die n⁺-Zone Sperrspannung aufnehmen kann. Andererseits wird dort die Abhängigkeit der Sperrspannung von der Dicke der Mittelzone für abrupte und diffundierte pn-Übergänge un­ tersucht. Die spezielle Problematik der Zerstörungssicher­ heit von Freilaufdioden für GTO-Thyristoren ist jedoch auch aus diesen Dokumenten zum Stand der Technik nicht be­ kannt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Halblei­ terkörper einer Freilaufdiode und

Fig. 2 den Feldstärkeverlauf bei einer herkömmlichen Freilaufdiode für einen GTO-Thyristor und einer Frei­ laufdiode gemäß Erfindung.

Die Freilaufdiode nach Fig. 1 hat eine schwach dotierte Mittelzone 1 vom ersten Leitungstyp. An diese schließt sich eine höher dotierte Katodenzone 2 an. Zwischen den Zonen 1 und 2 liegt ein nn⁺-Übergang 5. Anodenseitig schließt sich an die Mittelzone 1 eine höher dotierte An­ odenzone 3 an. Zwischen den Zonen 1 und 3 liegt ein pn- Übergang 4. Die Zonen 1, 2 und 3 haben die Dotierung nn⁺p⁺, sie kann jedoch auch pp⁺n⁺ sein.

Bei Anliegen der maximalen Sperrspannung an den Anschlüs­ sen A und K bildet sich eine Raumladungszone 6 aus, die einerseits in die Anodenzone 3 und andererseits in die Ka­ todenzone 2 hineinreicht. Die Grenzen der Raumladungszone sind gestrichelt gezeichnet.

Der zu einer Diode nach dem Stand der Technik gehörige Feldstärkeverlauf ist in Fig. 2 dargestellt. Am pn-Über­ gang 4 tritt die maximale Feldstärke auf. Die maximale Sperrspannung der Diode wird dann erreicht, wenn am pn- Übergang 4 die maximal erreichbare Feldstärke E1 auftritt. Die Feldstärke E2 am nn⁺-Übergang beträgt z. B. 0,1 E1. Dieser Feldstärkeverlauf ist mit 8 bezeichnet. Die erwähn­ te maximal erreichbare Feldstärke ist abhängig von der Do­ tierung und beträgt im Volumen bei einem spezifischen Wi­ derstand von 125 Ohm.cm 1,88 × 10⁵ V/cm, bei 270 Ohm.cm etwa 1,75 × 10⁵ V/cm und bei 400 Ohm.cm 1,6 × 10⁵ V/cm. Da die bekannten Freilaufdioden derart dimensioniert sind, daß ihre Feldstärke E3 am pn-Übergang 4 bei maximal zuläs­ siger Sperrspannung nach Herstellerangaben nur wenig unter der maximal erreichbaren Feldstärke E1 liegt, sind diese Dioden auch bei deutlich niedrigerer Betriebsspannung noch gegen Höhenstrahlung empfindlich.

Der Feldstärkeverlauf der erfindungsgemäßen Freilaufdiode bei maximaler Sperrspannung ist mit 9 bezeichnet. Er wird dadurch eingestellt, daß die Dicke und die Dotierung der Mittelzone 1 so aufeinander abgestimmt sind, daß die Feld­ stärke E5 am nn⁺-Übergang mindestens gleich dem 0,2fachen der für die gewählte Dotierung maximal erreichbaren Feld­ stärke E4 am pn-Übergang 4 ist. Es ist ersichtlich, daß die Diode nach 9 eine geringere Dotierung (kleinerer Gra­ dient der Feldstärke) als die Diode nach dem Stand der Technik hat bei gleicher Dicke der Mittelzone 1. Im Aus­ führungsbeispiel ist die Feldstärke E5 am nn⁺-Übergang 4 ≈ 0,66 E4. Da die Fläche ∫ Edx für 9 größer ist als die Fläche ∫ Edx für 8, kann diese Diode eine größere Sperr­ spannung aufnehmen. Im Ausführungsbeispiel wurde der spe­ zifische Widerstand der Mittelzone etwa verdreifacht, z. B. von 200 Ω.cm auf 600 Ω.cm.

Bei einer Sperrspannung entsprechend der nach Hersteller­ angaben maximal zulässigen Sperrspannung der Diode nach dem Stand der Technik (Kurve 11 im Vergleich mit Kurve 10) ist die Feldstärke E₆ bezogen auf E₄ entsprechend dem Ab­ stand a jedoch erheblich geringer als E₃ im Vergleich zu E₁. Damit läßt sich die Ausfallrate solcher Dioden signi­ fikant verringern. Bei einer Erhöhung des spezifischen Wi­ derstandes um den Faktor 1,3 wurde bereits eine Verringe­ rung der Ausfallrate um eine Größenordnung beobachtet.

Bei einer Freilaufdiode für eine Nennsperrspannung von 2500 V wird der spezifische Widerstand der Mittelzone zweckmäßigerweise zwischen 100 und 240 Ohm.cm betragen ge­ gen 80 Ohm.cm bei herkömmlichen Dioden. Die Dicke der Mit­ telzone liegt dabei etwa bei 280 µm. Bei Freilaufdioden für eine Nennsperrspannung von 4500 V empfiehlt sich eine Dotierung der Mittelzone zwischen 250 und 600 Ohm.cm und eine Dicke der Mittelzone von etwa 440 µm.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Diode liegt bei ihrer relativen Unempfindlichkeit gegen Höhenstrahlung bei ge­ genüber bekannten. Dioden gleichen Durchlaßverlusten.

Claims (3)

1. Diode mit einem Halbleiterkörper mit einer schwach dotierten Mittelzone vom ersten Leitungstyp, mit einer an die Mittelzone angrenzenden höher dotierten Kathodenzone vom ersten Leitungstyp und einer an die Mittelzone angrenzenden Anodenzone vom zweiten Leitungstyp und höherer Dotierung als die Mittelzone, mit einer solchen Dotierungshöhe der Mittelzone, daß sich die Raumladungszone bei maximaler Sperrspannung bis in die Kathodenzone erstreckt, wobei die Dicke und die Dotierung der Mittelzone so gewählt ist, daß bei angelegter maximaler Sperrspannung die Feldstärke am Übergang (5) zwischen Mittelzone (1) und Kathodenzone (2) mindestens gleich dem 0,2fachen der bei maximaler Sperrspannung auftretenden Feldstärke am pn-Übergang ist, gekennzeichnet durch die Verwendung als Freilaufdiode für einen GTO-Thyristor.

2. Freilaufdiode nach Anspruch 1, für eine Nennsperrspannung von 2500 V, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der Mittelzone zwischen 100 und 240 Ohm.cm und die Dicke der Mittelzone bei 280 µm liegt.

3. Freilaufdiode nach Anspruch 1 für eine Nennsperrspan­ nung von 4500 V, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand zwischen 250 und 600 Ohm.cm und die Dicke der Mittelzone bei 440 µm liegt.