DE4439012A1 - Bidirectional thyristor for high voltage blocking - Google Patents
Bidirectional thyristor for high voltage blockingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs halbleiterbauelemente. Sie geht aus von einem Zweirich tungsthyristor nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to the field of performance semiconductor components. It starts from a two-way Tungthyristor according to the preamble of the first claim.
Ein solcher Zweirichtungsthyristor oder bidirektionaler Thyristor wird schon im Europäischen Patent EP-B1-0 110 551 oder im Amerikanischen Patent US 4,982,261 beschrie ben. Es handelt sich dabei um einen lichtzündbaren, bidi rektional leitenden Thyristor bzw. um einen Triac.Such a bidirectional or bi-directional thyristor Thyristor is already in the European patent EP-B1-0 110 551 or in US Pat. No. 4,982,261 ben. It is a light ignitable, bidi rectionally conductive thyristor or a triac.
Solche Elemente weisen in einem Halbleitersubstrat zwei antiparallel geschaltete Thyristorstrukturen auf. Das heißt die Anode der einen Struktur ist mit der Kathode der anderen verbunden und vice versa. Den vorstehend ge nannten Strukturen ist gemeinsam, daß nur ein Kontakt für die Einspeisung des Steuerpulses (Licht oder Strom) vorgesehen ist. Dies ergibt jedoch eine asymmetrische An steuerung. Deshalb sind die bidirektionalen Thyristoren oder Zweirichtungsthyristoren nach dem Stand der Technik für höhere Blockierspannungen (größer als ca. 1000 V) ungeeignet. Auch mit einer Erhöhung der Bauelementdicke erreicht man keine höheren Blockierspannungen, denn die Probleme der asymmetrischen Ansteuerung verstärken sich nur.Such elements have two in a semiconductor substrate anti-parallel connected thyristor structures. The the anode of one structure is called the cathode connected to the other and vice versa. The above ge structures mentioned is common that only one contact for the supply of the control pulse (light or electricity) is provided. However, this gives an asymmetrical type control. That is why the bidirectional thyristors or bidirectional thyristors according to the prior art for higher blocking voltages (greater than approx. 1000 V) not suitable. Even with an increase in component thickness one does not achieve higher blocking voltages because the Problems with asymmetrical control are increasing just.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwei richtungsthyristor anzugeben, welcher auch für höchste Blockierspannungen geeignet ist.The object of the present invention is a two to indicate directional thyristor, which also for highest Blocking voltages is suitable.
Diese Aufgabe wird bei einem Zweirichtungsthyristor der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.This task is performed in a bidirectional thyristor initially mentioned type by the features of the first type solved.
Kern der Erfindung ist es also, daß für jede Thyri storstruktur eine eigene Steuerelektrode vorgesehen ist und die Thyristorstrukturen durch ein Trenngebiet elek trisch voneinander entkoppelt sind. Die Steuerelektroden und Trenngebiete sind dabei auf beiden Hauptflächen vor gesehen.The essence of the invention is therefore that for each thyri a separate control electrode is provided and the thyristor structures through a separation area elek trically decoupled from each other. The control electrodes and separation areas are on both main areas seen.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Thyristorstrukturen eine NPNP-Struktur mit einem n+ do tierten Kathodenemitter, einer p dotierten p-Basis, einer n dotierten n-Basis und einem p dotierten Anodengebiet. Im Anodengebiet ist zudem ein p+ dotierter Anodenemitter vorgesehen. Das Trenngebiet wird nun auf der ersten Hauptfläche durch die p-Basis der ersten Thyristorstruk tur bzw. durch das Anodengebiet der zweiten Thyri storstruktur gebildet und auf der zweiten Hauptfläche durch die p-Basis der zweiten Thyristorstruktur bzw. das Anodengebiet der ersten Thyristorstruktur. Das Trennge biet entkoppelt jeweils die Anode der einen Thyri storstruktur von der Steuerelektrode der jeweils anderen Thyristorstruktur. Um eine gute Entkopplung zu erzielen, sind die Trägerlebensdauern im Trenngebiet so gewählt, daß die Diffusionslänge für Träger etwa einen Zehntel der Breite des Trenngebietes beträgt.According to a preferred embodiment, the Thyristor structures an NPNP structure with an n + do tated cathode emitter, a p-doped p-base, one n doped n base and a p doped anode region. There is also a p + doped anode emitter in the anode region intended. The separation area is now on the first Main area through the p-base of the first thyristor structure structure or through the anode area of the second thyri stor structure formed and on the second main surface by the p-base of the second thyristor structure or that Anode area of the first thyristor structure. The Trennge each decouples the anode of one thyri stor structure from the control electrode of the other Thyristor structure. To achieve good decoupling, are the carrier lifetimes in the separation area selected so that the diffusion length for carriers is about a tenth the width of the separation area is.
Das Halbleitersubstrat weist vorzugsweise die Form einer runden Scheibe auf. In diesem Fall sind die Steuerelek troden der beiden Thyristorstrukturen auf den jeweiligen Hauptflächen im wesentlichen im Mittelpunkt der Scheibe angeordnet (Zentralgate). Außerdem kann eine verstär kende Gatestruktur mit einem Hilfsthyristor vorgesehen sein (Amplifying Gate). Dadurch wird der Zündstrom ver stärkt und gleichmäßig über die Bauelementfläche ver teilt.The semiconductor substrate preferably has the shape of a round disc. In this case, the control elec trodes of the two thyristor structures on the respective Main surfaces essentially at the center of the disc arranged (central gate). In addition, a reinforcement kende gate structure provided with an auxiliary thyristor be (amplifying gate). This causes the ignition current to ver strengthens and ver even over the component surface Splits.
Das Trenngebiet und die Anode, welche auf einer gemeinsa men Hauptfläche angeordnet sind, nehmen ungefähr die Hälfte der Bauelementoberfläche in Anspruch.The separation area and the anode, which on a common men main area, take approximately that Half of the component surface is occupied.
Ein Gehäuse, das für den Thyristor nach der Erfindung speziell gut geeignet ist weist zwei Steueranschlüsse auf, welche versetzt angeordnet sind.A housing for the thyristor according to the invention has two control connections on which are staggered.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent sprechenden abhängigen Ansprüchen.Further exemplary embodiments result from the ent speaking dependent claims.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß durch die Entkopplung der beiden Thyristorstrukturen eine Reduktion der Zündempfindlichkeit durch einen all fälligen parasitären Strompfad zwischen den Strukturen minimal gehalten werden kann. Zudem verhindert die Ent kopplung ein unkontrolliertes, wechselseitiges Zünden der Strukturen. Da für jede Thyristorstruktur zudem eine ei gene Steuerelektrode vorgesehen ist, erhält man nach der Erfindung einen bidirektionalen Thyristor, der auch für höchste Blockierspannungen sicher eingesetzt werden kann.The advantage of the construction according to the invention is that that by decoupling the two thyristor structures a reduction in ignition sensitivity by an all due parasitic current path between the structures can be kept to a minimum. In addition, the Ent coupling an uncontrolled, mutual ignition of the Structures. Since there is also an egg for each thyristor structure gene control electrode is provided, is obtained after the Invention of a bidirectional thyristor, which is also for highest blocking voltages can be used safely.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.The invention will now be described with reference to embodiments play in connection with the drawings tert.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Eine Aufsicht eines Zweirichtungsthyristors nach der Erfindung; Figure 1 is a plan view of a bidirectional thyristor according to the invention.
Fig. 2 Eine Darstellung des Dotierungsprofils eines Zweirichtungsthyristors nach der Erfindung; Fig. 2 is an illustration of the doping profile of a-triac according to the invention;
Fig. 3 Einen Ausschnitt des Gatebereichs eines erfin dungsgemäßen Zweirichtungsthyristors; Fig. 3 shows a section of the gate region of an OF INVENTION to the invention-triac;
Fig. 4 Einen Ausschnitt eines Gehäuses, das für einen erfindungsgemäßen Thyristor geeignet ist. Fig. 4 shows a section of a housing which is suitable for a thyristor according to the invention.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings and de their meaning are summarized in the list of names summarizes. Basically are in the figures Identical parts with the same reference numerals.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Zweirichtungsthyristor 1. Mit 6 ist die Anode einer er sten Thyristorstruktur bezeichnet, 8 bezeichnet die Steuer- oder Gateelektrode einer zweiten Thyristorstruk tur, 5 die Kathode der zweiten Thyristorstruktur, 7 das Trenngebiet zwischen den zwei Thyristorstrukturen und 20 eine verstärkende Gatestruktur (Amplifying Gate) mit fin gerförmigen Fortsetzungen. Fig. 1 zeigt also deutlich, daß bei einem erfindungsgemäßen Thyristor zwei Thyri storstrukturen vorgesehen sind, welche durch ein Trennge biet voneinander entkoppelt sind. FIG. 1 shows a view of an inventive triac 1. With 6 the anode of a first thyristor structure, 8 denotes the control or gate electrode of a second thyristor structure, 5 the cathode of the second thyristor structure, 7 the separation region between the two thyristor structures and 20 an amplifying gate structure (amplifying gate) with fin-shaped continuations . Fig. 1 thus clearly shows that two Thyri stor structures are provided in a thyristor according to the invention, which are decoupled from one another by a separation area.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt um den zentralen Gatebe reich eines erfindungsgemäßen Thyristors im Schnitt. Me tallisierungen sind mit von oben rechts nach unten links verlaufenden Linien schraffiert, n-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden Doppelli nien und p-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden einfachen Linien. Dichter schraf fierte Gebiete weisen im allgemeinen eine höhere Dotie rungsdichte auf als die weniger dicht schraffierten Ge biete. Fig. 3 shows a section around the central gate area of a thyristor according to the invention in section. Metalizations are hatched with lines running from top right to bottom left, n-doped areas with double lines running from top left to bottom right, and p-doped areas with simple lines running from top left to bottom right. Areas shaded more densely generally have a higher doping density than the areas shaded less densely.
Zwischen einer ersten 2 und einer zweiten Hauptfläche 3 ist ein Halbleitersubstrat 4 vorgesehen, welches mehrere unterschiedlich dotierte Schichten und Gebiete umfaßt. Die Schichten und Gebiete bilden zwei Thyristorstruktu ren. Die Funktionsweise dieser Thyristorstrukturen ist seit langem bekannt und braucht deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Eine Thyristorstruktur um faßt eine Kathode, eine Anode und eine Steuerelektrode. Zwischen der Kathode und der Anode ist eine NPNP Vier schichtstruktur vorgesehen. Im folgenden wird erläutert, welche Funktion die dargestellten Schichten und Gebiete aufweisen und wie zwei Thyristorstrukturen in ein Halb leitersubstrat integriert werden können.Between a first 2 and a second main surface 3 , a semiconductor substrate 4 is provided, which comprises several differently doped layers and regions. The layers and regions form two thyristor structures. The functioning of these thyristor structures has been known for a long time and therefore need not be explained further at this point. A thyristor structure includes a cathode, an anode and a control electrode. An NPNP four-layer structure is provided between the cathode and the anode. The following explains the function of the layers and regions shown and how two thyristor structures can be integrated in a semiconductor substrate.
Die zwei Thyristorstrukturen sind antiparallel angeordnet und werden durch ein Trenngebiet 7 voneinander entkop pelt. Somit ist auf der ersten Hauptfläche 2 die Kathode 5 einer ersten, in Fig. 2 in der rechten Hälfte der Figur dargestellten Thyristorstruktur sowie die Anode 6 ei ner zweiten Thyristorstruktur vorgesehen. Auf der zweiten Hauptfläche 3 ist es selbstverständlich genau umgekehrt.The two thyristor structures are arranged antiparallel and are decoupled from one another by a separation region 7 . Thus, the cathode 5 of a first thyristor structure shown in FIG. 2 in the right half of the figure and the anode 6 of a second thyristor structure are provided on the first main surface 2 . On the second main surface 3 it is of course exactly the opposite.
Die Kathode 5 wird durch eine Metallisierung gebildet, welche einen n+ dotierten Kathodenemitter 9 bedeckt. Der Kathodenemitter 9 ist in eine p dotierte p-Basis 10 ein gelassen. In Richtung der Anode 6 folgt auf die p-Basis 10 eine n-Basis 11 und ein p dotiertes Anodengebiet 12. Im Anodengebiet 12 ist ein p+ dotierter Anodenemitter 13 vorgesehen, welcher von einer die Anode 6 bildende Metal lisierung überdeckt wird. In der p-Basis 10 ist außerdem ein p+ dotiertes Gategebiet 14 vorgesehen. Dieses wird von einer zentral angeordneten Gate- oder Steuerelektrode 8 kontaktiert.The cathode 5 is formed by a metallization which covers an n + doped cathode emitter 9 . The cathode emitter 9 is left in a p-doped p base 10 . In the direction of the anode 6 , the p-base 10 is followed by an n-base 11 and a p-doped anode region 12 . In the anode region 12 , a p + doped anode emitter 13 is provided which is covered by a metalization forming the anode 6 . A p + doped gate region 14 is also provided in the p base 10 . This is contacted by a centrally arranged gate or control electrode 8 .
Die oben erläuterte Struktur ist für jede Thyristorstruk tur vorhanden. Die beiden Thyristorstrukturen können in ein gemeinsames Halbleitersubstrat 4 integriert werden, indem die p-Basis 10 der einen Struktur als Anodengebiet 12 der anderen und umgekehrt dient. Es sind außerdem zwei Steuerelektroden 8 und entsprechende Gategebiete 14 vorgesehen, wovon die eine auf der ersten Hauptfläche 2 und die zweite auf der zweiten Hauptfläche 3 angeordnet ist.The structure explained above is available for each thyristor structure. The two thyristor structures can be integrated in a common semiconductor substrate 4 , in that the p-base 10 of one structure serves as an anode region 12 of the other and vice versa. There are also two control electrodes 8 and corresponding gate regions 14 , one of which is arranged on the first main surface 2 and the second on the second main surface 3 .
Dadurch, daß zwei separate Steuerelektrode vorgesehen sind, werden die Nachteile der asymmetrischen Ansteue rung, wie sie z. B. bei Triacs auftreten, vermieden. Damit zudem die gegenseitige Beeinflussung der Thyristorstruk turen möglichst vermieden werden kann - andernfalls müß te mit unkontrollierten, wechselseitigen Zündungen auf grund von zu steilen Spannungsflanken (dV/dt) gerechnet werden -, ist ein Trenngebiet 7 vorgesehen. Dieses ent koppelt die beiden Thyristorstrukturen und vermeidet die Bildung eines Kurzschlusses durch den am Gate 8 einge prägten Strom zur danebenliegenden Anode 6. Um eine mög lichst effektive Entkopplung zu erreichen, sollte die Trägerlebensdauer im Trenngebiet 7 gegenüber den übrigen Halbleiterschichten und Gebieten lokal reduziert werden. Als Maß dafür kann die Regel, daß die Diffusionslänge im Trenngebiet kleiner als 1/19 der Breite dieses Trenn gebiets sein soll, angegeben werden:The fact that two separate control electrodes are provided, the disadvantages of the asymmetrical control, as z. B. occur in triacs avoided. A separation area 7 is provided so that the mutual influence of the thyristor structures can be avoided as far as possible - otherwise uncontrolled, mutual ignitions due to too steep voltage edges (dV / dt) would have to be expected. This decouples the two thyristor structures and avoids the formation of a short circuit due to the current impressed on the gate 8 to the adjacent anode 6 . In order to achieve the most effective possible decoupling, the carrier life in the separation region 7 should be reduced locally compared to the other semiconductor layers and regions. As a measure of this, the rule that the diffusion length in the separation area should be less than 1/19 of the width of this separation area can be specified:
Beim Zünden kann ein Abfluß des eingeprägten Gatestromes zur danebenliegenden Anode 6 von ca. 50-100 mA toleriert werden. Dies ergibt einen Schichtwiderstand der p-Basis im Trenngebiet von ungefähr 5 kOhm/sqr. Dieser Wert ist verträglich mit der Forderung, daß sich die Raumladungs zone bei voller Belastung in der p-Basis nicht bis zur Oberfläche ausbreiten kann. Gute Ergebnisse wurden mit Trenngebietbreiten von ca. 3 mm erreicht.When igniting, an outflow of the impressed gate current to the adjacent anode 6 of approx. 50-100 mA can be tolerated. This gives a p-base sheet resistance in the separation region of approximately 5 kOhm / sqr. This value is compatible with the requirement that the space charge zone cannot spread to the surface when fully loaded in the p-base. Good results were achieved with separation area widths of approx. 3 mm.
Die Trägerlebensdauern und Dotierungen der übrigen Halb leiterschichten und Gebiete entsprechen den für Thyristo ren üblichen Werten. Fig. 2 zeigt schematisch ein axia les Dotierungsprofil. Die Werte der einen Thyristorstruk tur sind gestrichelt, diejenigen der anderen ausgezogen dargestellt. Im folgenden wird der Verlauf anhand ausge zogenen Kurve erläutert. Von links ist zunächst die Do tierung des n+ Kathodenemitters 9 dargestellt (ca. 10¹⁹ cm³). Darauf folgt die p-Basis 10, die n-Basis 11, das p dotierte Anodengebiet 10 und schließlich ganz rechts der p+ dotierte Anodenemitter 13. Für den strich lierten Verlauf sind die Verhältnisse natürlich genau um gekehrt.The carrier lifetimes and dopings of the remaining semiconductor layers and regions correspond to the values customary for thyristors. Fig. 2 shows schematically an axial doping profile. The values of one thyristor structure are dashed, those of the others are shown in full lines. In the following the course is explained using the solid curve. From the left the dosing of the n + cathode emitter 9 is shown (approx. 10¹⁹ cm³). This is followed by the p-base 10 , the n-base 11 , the p-doped anode region 10 and finally on the far right the p + -doped anode emitter 13 . The situation is of course reversed for the dashed line.
Mit Vorteil wird zwischen der Kathode 5 und der Steuer elektrode 8 eine verstärkende Gatestruktur (Amplifying Gate) 20 angeordnet. Das Amplifying Gate umfaßt ein halbringförmiges n+ dotiertes erstes Gebiet 15, in wel chem inselförmige, p+ dotierte zweite Gebiete 16 vorgese hen sind. Diese bilden einen Hilfsthyristor 15, welcher den am Zentralgate 8 angelegten Zündstrom verstärkt. Mit 16 sind die dazugehörigen Kurzschlußgebiete bezeichnet (p+ dotiert). Die Funktion eines Amplifying Gate ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und braucht nicht weiter erläutert zu werden. Zur besseren Verteilung des am Gate angelegten Zündstromes können zudem finger förmige, p-dotierte Gate-Fortführungen vorgesehen werden. Das Amplifying Gate 20 mit den fingerförmigen Fortführun gen werden von einer gemeinsamen Metallisierung über deckt.An amplifying gate structure (amplifying gate) 20 is advantageously arranged between the cathode 5 and the control electrode 8 . The amplifying gate comprises a semi-ring-shaped n + doped first region 15 , in which chemically island-shaped, p + doped second regions 16 are provided. These form an auxiliary thyristor 15 , which amplifies the ignition current applied to the central gate 8 . With 16 the associated short-circuit areas are designated (p + doped). The function of an amplifying gate is also known from the prior art and need not be explained further. For better distribution of the ignition current applied to the gate, finger-shaped, p-doped gate continuations can also be provided. The amplifying gate 20 with the finger-shaped continuations are covered by a common metallization.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Kathodenemitter 9 mit p+ dotierten, inselförmigen Kurzschlußgebieten 17 durchsetzt ist.It is also advantageous if the cathode emitter 9 is interspersed with p + doped, island-shaped short-circuit regions 17 .
Als Gehäuse kann für den erfindungsgemäßen Thyristor ein übliches Keramikgehäuse verwendet werden. Ein Ausschnitt davon ist in einer Aufsicht in Fig. 4 dargestellt. Es sind mehrere metallene Kontaktscheiben sowie Flansche dargestellt. Außerdem sieht man, wie die Steueran schlüsse versetzt angeordnet sind. Dies ist im Hinblick auf eine einfache Kontaktierung von Vorteil.A conventional ceramic housing can be used as the housing for the thyristor according to the invention. A section of this is shown in a top view in FIG. 4. Several metal contact disks and flanges are shown. You can also see how the tax connections are staggered. This is advantageous with regard to simple contacting.
Insgesamt steht also mit der Erfindung ein Zweirichtungs thyristor zur Verfügung, der sicher auch bei höchsten Blockierspannungen betrieben werden kann.Overall, there is therefore a two-way direction with the invention thyristor available that is safe even at the highest Blocking voltages can be operated.
BezugszeichenlisteReference list
1 Zweirichtungsthyristor
2 erste Hauptfläche
3 zweite Hauptfläche
4 Halbleitersubstrat
5 Kathode
6 Anode
7 Trenngebiet
8 Gate- oder Steuerelektrode
9 Kathodenemitter
10 p-Basis
11 n-Basis
12 Anodengebiet
13 Anodenemitter
14 Gategebiet
15 Hilfsthyristor des Amplifying Gate
16 Kurzschlußgebiete des Hilfsthyristors
17 Kurzschlußgebiete
18 Gehäuse
19 Steueranschluß
20 Amplifying Gate 1 bidirectional thyristor
2 first main area
3 second main area
4 semiconductor substrate
5 cathode
6 anode
7 separation area
8 gate or control electrode
9 cathode emitters
10 p base
11 n base
12 anode area
13 anode emitter
14 gate area
15 auxiliary thyristor of the amplifying gate
16 short-circuit areas of the auxiliary thyristor
17 short-circuit areas
18 housing
19 Control connection
20 Amplifying gate
Claims (10)
- a) die Thyristorstrukturen eine NPNP-Struktur um fassen mit je einem n+ dotierten Kathodenemit ter (9), einer p dotierten p-Basis (10), einer n dotierten n-Basis (11) und einem p dotierten Anodengebiet (12), wobei das Anodengebiet (12) der einen Thyristorstruktur der p-Basis (11) der anderen entspricht und in den Anodengebie ten (12) ein p+ dotierter Anodenemitter (13) ausgebildet ist,
- b) die Kathode (5), die Anode (6) durch Metalli sierungen gebildet werden, welche den Kathoden bzw. Anodenemitter (9 bzw. 13) kontaktieren, und
- c) die Steuerelektroden (8) Metallisierungen um fassen, welche ein p+ dotiertes, in der p-Basis (10) angeordnete Gategebiet (14) kontaktieren.
- a) the thyristor structures include an NPNP structure, each with an n + -doped cathode emitter ( 9 ), a p-doped p-base ( 10 ), an n-doped n-base ( 11 ) and a p-doped anode region ( 12 ), wherein the anode region ( 12 ) corresponds to one thyristor structure of the p base ( 11 ) of the other and a p + doped anode emitter ( 13 ) is formed in the anode regions ( 12 ),
- b) the cathode ( 5 ), the anode ( 6 ) are formed by metallizations which contact the cathode or anode emitter ( 9 or 13 ), and
- c) the control electrodes ( 8 ) comprise metallizations which contact a p + doped gate region ( 14 ) arranged in the p base ( 10 ).
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