DE69534509T2 - Zweipoliges Bauteil zur Überkopfzündung mit kontrollierter Empfindlichkeit - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung, d.h., eine Komponente, welche die Funktion einer Shockley-Diode aufweist, welche einschaltet, wenn die Spannung an ihren Anschlüssen eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich spezieller auf eine solche Komponente mit kontrollierter Kippempfindlichkeit, für die die Kippspannung und der Kippstrom bei der Herstellung präzise bestimmt werden können. Die Erfindung stellt insbesondere solch eine Komponente zur Verfügung, für die der Kippstrom gering ist bei jedoch geringer Empfindlichkeit auf Störtriggerung verbunden mit Spannungsspitzen (dV/dt Triggerung).
  • Solch eine Komponente wird zum Beispiel in einer Gaszünderschaltung, wie in 1 dargestellt, verwendet. Diese Schaltung umfaßt zwischen den Zuleitungsklemmen A und B, die zum Beispiel an eine Netzwechselspannung von 220 V und 50 Hz angeschlossen werden, einen Widerstand Rs, eine Gleichrichterdiode Dr, einen Schalter S, einen Kondensator C und die Primärseite eines Hochfrequenztransformators T. Die Sekundärseite des Transformators umfaßt die Wicklungen L1 und L2, die jeweils mit den Zündern 1 und 2 verbunden sind, die zum Beispiel für zwei Flammen eines Gasherdes bestimmt sind. Zwischen den Eingangsklemmen des Kondensators C und der Klemme B ist eine Schaltung angeordnet, die einen Thyristor Th umfaßt, welcher antiparallel zu einer Diode D liegt. Zwischen dem Gate und der Anode des Thyristors Th ist eine Avalanchediode Z angeordnet.
  • Der Betrieb der Schaltung wird mit Bezug auf 2 dargestellt. In der Figur stellt die Kurve 10 die Spannung zwischen den Klemmen A und B dar, welche eine Wechselspannung mit einem Spitzenwert Vp ist. Sobald der Schalter S geschlossen wird, beginnt zu Beginn einer positiven Halbperiode das Aufladen des Kondensators C, bis dieser die Avalanchespannung VZ der Avalanchediode Z erreicht. Darin kann ein Strom in der Gate-Kathodenverbindung des Thyristors Th fließen. Wenn dieser Strom einen Wert IBO erreicht, wird der Thyristor Th in einem Niederimpedanzzustand leitfähig, und der Kondensator C entlädt sich in den Thyristor Th und dann über die Diode D, wodurch ein mit hoher Frequenz oszillierender Entladestrom von dem Kondensator C in den Thyristor Th und dann in die antiparallele Diode D ent steht. Diese Stromoszillation wird von dem Transformator in die Wicklungen L1 und L2 gewandelt, wodurch das Auftreten von Funken in den Zündern 1 und 2 hervorgerufen wird.
  • Diese Schaltung stellt strikte Bedingungen zum Zünden des Thyristors Th. Sobald die Avalanchespannung VZ der Diode Z erreicht ist, muß ein Strom IBO fließen können, der ausreicht, um den Thyristor Th zu zünden. Dieser Strom IBO wird von der gleichgerichteten Versorgungsspannung geliefert, und der maximale Wert dieses Stroms wird durch die folgende Gleichung bestimmt: RsIBO(MAX) = Vp – VZ,worin Vp die Spitzenspannung zwischen den Anschlußklemmen A und B bezeichnet. Die Spannung VZ wird praktisch auferlegt, um eine ausreichende Entladespannung zu erhalten, und der höchste zulässige Widerstand Rs muß relativ hoch sein, um eine ausgedehnte Dauer zwischen zwei Funken wählen zu können.
  • Unter der Annahme, daß Rs = 10 kΩ, die Spitzenspannung Vp zwischen den Anschlußklemmen A und B ist 300 V und VZ = 250 V ist, erhält man: IBO(MAX) = (300 – 250)/10000 = 5 mA.
  • In der Praxis ist dieser Zündstrom für einen Thyristor sehr gering. Denn ein gewöhnlicher Thyristor hält eine Spannung von 400 V bei einem Zündstrom IBO von einigen 10 mA aus. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Spannung VZ der Avalanchediode Z präzise festgelegt sein sollte, damit dieser Wert IBO(MAX) nicht zu stark variiert und der Triggerbereich nicht weiter reduziert wird.
  • 3 stellt die Stromspannungskennlinie eines Thyristors dar, der durch eine Kippspannung betätigt wird. Wenn die Spannung VBO (die Spannung VZ der Avalanchediode) erreicht ist, beginnt der Strom in dem Thyristor anzusteigen, woraufhin die Spannung an den Anschlüssen des Thyristors sprunghaft abfällt, während der Thyristor leitfähig wird, sobald der Thyristorstrom einen Wert IBO erreicht hat. Man versucht daher, eine thyristorartige Dipolkomponente zu bilden, die auf der einen Seite einen geringen IBO-Wert und auf der anderen Seite einen wohlbestimmten VBO (VZ) Wert aufweist.
  • 4 stellt eine gewöhnliche Schaltung mit einer Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung dar, welche einen Thyristor zur Gateverstärkung umfaßt, welcher es erlaubt, diese Funktion zu erzielen. Der Thyristor Th ist mit einem Steuerthyristor Th1 verbunden. Die Anoden der Thyristoren Th und Th1 sind verbunden, die Kathode des Thyristors Th1 ist mit dem Gate des Thyristors Th über einen dazwischenliegenden Widerstand R verbunden. Die Triggerdiode Z ist zwischen der Anode und dem Gate des Thyristors Th1 angeordnet. Der Gate-Kathodenwiderstand des Thyristors Th wird mit R' bezeichnet.
  • Techniken zum Herstellen eines sehr empfindlichen Thyristors Th1 sind bekannt, jedoch wird dabei die Verwendung eines nicht vernachlässigbaren Widerstands R (der Größenordnung von etwa 1 bis 10 kΩ) zwischen der Kathode und dem Gate benötigt, um zu vermeiden, daß der Thyristor Th1 nicht bei Auftreten von Störsignalen in der Speisespannung, d.h., durch eine dV/dt Triggerung, getriggert wird.
  • Eine typische Ausführung in Form einer monolithischen Komponente der Schaltung aus 4 ist in 5 dargestellt. Die Komponente ist ausgehend von einem leichdotierten N-leitenden Substrat 21 hergestellt. In der oberen Oberfläche des Substrats entsprechen P-leitende Regionen 22, 23 und 24 jeweils der Anode der Diode D, dem Gate des Thyristors Th und dem Gate des Steuerthyristors Th1. Die N-leitenden Regionen 26 und 27 entsprechen jeweils den Kathoden des Thyristors Th und Th1. Die Kathode des Thyristors Th ist mit Emitterkurzschlüssen versehen, um den Thyristor unempfindlich zu machen, während die Kathode des Steuerthyristors Th1 keine Emitterkurzschlüsse aufweist, um diesen Thyristor sehr empfindlich zu halten. Die untere Oberfläche des Substrats umfaßt, den Kathoden des Thyristors Th und Th1 gegenüberliegend, eine P-leitende Region 28, welche der gemeinsamen Anode der Thyristoren Th und Th1 entspricht, und, der Anodenregion 22 der Diode D gegenüberliegend, eine N+-leitende Region 29, die dem Kathodenkontakt dieser Diode entspricht. Die Rückseite ist von einer Metallisierung 30 gleichmäßig überzogen. Die Zonen der Kathode des Thyristors Th und der Anode der Diode D sind mit einer Metallisierung 31 überzogen. Die Kathodenregion 27 des Thyristors Th1 ist mit der Gate-Region 23 des Thyristors Th mittels einer Metallisierung 32 verbunden. Der Widerstand R ist in Form einer P-leitenden Region 34 eines geringen Leitfähigkeitsniveaus ausgeführt, welche zwischen den P-Regionen 23 und 24 liegt. Die Verbindung, die einer Zenerdiode Z entspricht, ist durch Vorsehen einer stark do tierten N-leitenden Schicht 35 an der Grenzfläche zwischen der Region 24 und dem Substrat 21 ausgeführt.
  • Die in 5 dargestellte Ausführung weist einige Nachteile auf. Auf der einen Seite benötigt sie zusätzlich zu den Schichten, die gewöhnlich zur Ausführung eines Thyristors verwendet werden, das Vorhandensein einer "vergrabenen" stark dotierten N-leitenden Schicht 35 und vor allem das Vorhandensein der leicht dotierten P-leitenden Region 34, wozu auf zusätzliche Herstellungsschritte zurückgegriffen werden muß. Auf der anderen Seite, wie bereits zuvor angedeutet, muß, um einen ausreichenden Widerstand zwischen Kathode und Gate des Thyristors Th1, in der Größenordnung von 1 bis 10 kΩ zu erhalten, die Region 34 sehr leicht dotiert sein, was Herstellungseinschränkungen auferlegt, die dazu führen, daß die Vorrichtung von einem Herstellungslos zum nächsten schwer zu reproduzieren ist.
  • Eine weitere Art einer Halbleiterkomponente ist in JP-A-56055068 beschrieben.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine kontrollierte Kippspannung und einen Kippstrom zur Verfügung zu stellen, wobei der Wert des Kippstroms auf einen geringen Wert eingestellt ist.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche Komponente zur Verfügung zu stellen, die in einer technologisch einfachen und reproduzierbaren Weise hergestellt werden kann.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Komponente zur Verfügung zu stellen, in der der Wert des Kippstroms und der Kippspannung unabhängig voneinander gewählt werden können.
  • Um diese Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung, so, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird, eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung mit kontrollierter Kippempfindlichkeit zur Verfügung, welche einen Hauptthyristor umfaßt, dessen Gate mit der Anode über einen dazwischenliegenden Steuerthyristor verbunden ist. Ein triggernder Transistor ist parallel zu dem Steuerthyristor angeordnet, wobei die Basis des triggernden Transistors mit dem Gate des Steuerthyristors verbunden ist.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der Emitter des triggernden Transistors der Kathodenregion des Steuerthyristors, und die Basis des triggernden Transistors entspricht der Gate-Region des Steuerthyristors.
  • Mit anderen Worten stellt die vorliegende Erfindung eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung zur Verfügung, die von einem vertikalen Thyristor mit Steuerverstärkung gebildet wird, der überdies eine Region des Leitungstyps des Substrats umfaßt, welche einen Teil der Anodenschicht des Steuerthyristors ersetzt, der einem Teil der Kathodenregion dieses Steuerthyristors gegenübersteht.
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung mit kontrollierter Kippempfindlichkeit zur Verfügung, welche in einem Halbleitersubstrat eine erste vertikale NPNP-Struktur, die einem Hauptthyristor entspricht, und eine zweite vertikale NPNP-Struktur, die einem Steuerthyristor entspricht, umfaßt, wobei die Anoden des Haupt- und Steuerthyristors derselben Schicht auf der Rückseite des Substrats entsprechen. Ein Teil der Anodenschicht des Steuerthyristors ist durch eine zusätzliche Region des Leitungstyps des Substrats ersetzt, wobei eine Rückseitenmetallisierung die Anodenregionen des Thyristors und die zusätzliche Region kontaktiert, eine Kathodenmetallisierung auf der Kathode des Hauptthyristors gebildet ist und eine Verbindungsmetallisierung die Kathode des Steuerthyristors mit der Gate-Region des Hauptthyristors verbindet.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die Komponente des weiteren eine Verlängerung der Gate-Region des Hauptthyristors, die einer Region des gleichen Leitfähigkeitstyps wie das Substrat gegenübersteht, um eine zu dem Hauptthyristor antiparallele Diode zu bilden.
  • Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Detail in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt, die im nicht beschränkenden Sinne mit Bezug auf die beigefügten Figuren zu verstehen ist, worin:
  • Die oben beschriebenen 1 bis 5 jeweils zeigen:
    • – eine Schaltung zur Gaszündung,
    • – eine Kurve der Spannung V als Funktion der Zeit t, welche nützlich zum Erklären der Wirkung der Schaltung aus 1 ist,
    • – eine Charakteristik des Triggerns durch eine Kippspannung eines Thyristors,
    • – eine gewöhnliche Schaltung eines Thyristors, der mit einem Steuerthyristor und einem triggernden Element verbunden ist, bzw.
    • – eine schematische Querschnittsansicht einer Komponente, die die Schaltung aus 4 umsetzt;
  • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Komponente nach der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ist ein Äquivalentdiagramm der Schaltung aus 6; und
  • 8 ist eine Stromspannungskurve, welche nützlich für die Erklärung der Wirkungsweise der Komponente aus 6 ist.
  • 6 stellt eine Querschnittsansicht einer Komponente nach der vorliegenden Erfindung dar. Diese Komponente ist im wesentlichen identisch zu einer gewöhnlichen Komponente eines Thyristors mit Steuerverstärkung (und einer antiparallelen Diode). Diese Komponente wird ausgehend von einem leicht dotierten N-leitenden Substrat 41 gebildet. Auf der oberen Oberfläche entsprechen die P-leitenden Regionen 42, 43 und 44 jeweils der Anodenregion einer Diode D, der Gate-Region eines Hauptthyristors Th und der Gate-Region eines Steuerthyristors. In den Regionen 43 und 44 sind jeweils die N-leitenden Regionen 46 und 47 gebildet, die jeweils der Kathode des Hauptthyristors und der Kathode des Steuerthyristors entsprechen. Die Rückseite des Substrats umfaßt eine P-leitende Region 48, die Regionen des Thyristors gegenübersteht, und eine N-leitende Region 49, die der Anodenregion der Diode D gegenübersteht. Die Rückseite ist mit einer Metallisierung 50 bedeckt. Die Regionen der Kathode 46 des Thyristors Th und der Anode 42 der Diode D sind mit einer Metallisierung 51 bedeckt. Die Region der Kathode 47 des Steuerthyristors Th1 ist mit der Basisregion 43 des Hauptthyristors Th durch eine Metallisierung 52 verbunden.
  • Die bislang beschriebene Komponente ist ein gewöhnlicher Thyristor mit Steuerverstärkung, der einen Hauptthyristor verbunden mit einem Steuerthyristor umfaßt.
  • Die einzige Modifikation, die von der vorliegenden Erfindung zu dieser gewöhnlichen Struktur beigetragen wird, besteht in einer stark dotierten N-leitenden Region 54, die gegenüberlie gend zu einem Teil der Kathodenregion 47 des Steuerthyristors angeordnet ist. Es ist zu beachten, daß das Ausbilden dieser Region keine zusätzlichen Herstellungsschritte gegenüber dem gewöhnlichen Herstellen eines Thyristors mit Steuerverstärkung mit einer antiparallelen Diode erfordert, da diese Region 54 gleichzeitig mit der Kathodenregion 49 der Diode ausgebildet werden kann.
  • Diese geringe Modifikation im Aufbau verändert jedoch die Funktionsweise des Systems grundlegend. Wie in der 7 dargestellt, entspricht das Vorhandensein der Region 54 einem Anordnen eines Transistors Tr parallel zu dem Thyristor Th1. Der Emitter dieses Transistors entspricht der Kathodenregion 47 des Thyristors. Die Basis des Transistors wird durch die Region 44 gebildet und entspricht der Gate-Region des Thyristors Th1. Der Kollektor des Transistors entspricht dem N-Substrat und der Kollektorkontakt wird durch die N+-Region 54 erlangt.
  • Bei geringem Strom, wie in 8 dargestellt, wird die charakteristische Kurve der Anordnung durch den Transistor bestimmt. Dieser Transistor ist blockiert, solange über seinen Anschlüssen eine Spannung unterhalb eines Wertes BVCEO liegt, die nach der Formel von Miller gleich BVCBO/β1/n ist, wobei BVCBO die Durchbruchsspannung des Kollektor-Basis-Übergangs und β der Gain des Transistors ist. Für β = 10 und n = 4, wenn BVCBO = 390 V ist, erhält man BVCBO = 220 V. Daher erhält man ein Kippen des Thyristor nur, wenn der Strom in dem Transistor einen Wert IBO erreicht. Es ist zu beachten, daß die Regelung des Kippstroms des Thyristors im wesentlichen von der geometrischen Struktur (Dimensionierung und Form) der N+-Region 54 abhängt.
  • Die Kippspannung der Vorrichtung ist daher im wesentlichen durch den Übergang zwischen den Regionen 41 und 44 festgelegt, welche dem Kollektor-Basis-Übergang des Transistors Tr entspricht. Der Materialwiderstand des Substrats 41 kann, zum Beispiel in der Größenordnung von 15 bis 25 Ohm (2 × 1014 bis 3 × 1014 Atome/cm3) derart gewählt werden, daß eine Avalanchespannung dieses Übergangs auf einen Wert BVCBO, z.B. von der Größenordnung von 350 bis 450 V, eingestellt wird.
  • Das Vorhandensein des Transistors Tr erlaubt es, den Steuerthyristor Th1 weniger empfindlich auf dV/dt-Durchbrüche zu machen.
  • Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung zählen:
    • – eine einfache Regelung des Wertes des Kippstromes IBO durch die Wahl der Oberfläche und der Dimensionierung der Region 54;
    • – eine unabhängige Regelung der Durchbruchsspannung durch die Wahl der Transistorcharakteristiken (Dotierung des Kollektors, Dotierung der Basis, Dicke der Basis); und
    • – das Herstellungsverfahren ist viel einfacher als die bislang bekannten Verfahren, da die Schritte zum Herstellen zusätzlicher Schichten, wie der Schichten 34 und 35 aus 5, vermieden werden.
  • Natürlich kann, während die vorliegende Erfindung nur im Rahmen ihrer Anwendung auf eine Schaltung zur Gaszündung beschrieben wurde, die erfindungsgemäße Komponente in allen Strukturen eingesetzt werden, für die es wünschenswert ist, eine Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung zu verwenden, für die Kippspannung und -strom präzise bestimmt sind, wobei der Kippstrom einen geringen Wert aufweist. Zusätzlich ist es, obwohl in der beschriebenen Ausführungsform die Komponente mit einer antiparallelen Diode verbunden ist, nicht in jedem Fall notwendig, eine solche Diode zur Verfügung zu stellen.

Claims (5)

  1. Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung mit kontrollierter Kippempfindlichkeit, welche einen Hauptthyristor (Th) und einen Steuerthyristor (Th1) umfaßt, dessen Hauptanschlüsse mit dem Gate und der Anode des Hauptthyristors verbunden sind, wobei die Hauptanschlüsse eines triggernden Transistors (Tr) mit den Hauptanschlüssen des Steuerthyristors verbunden sind, wobei die Basis des Transistors mit dem Gate des Steuerthyristors verbunden ist.
  2. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des triggernden Transistors der Kathodenregion (47) des Steuerthyristors entspricht, und daß die Basis des triggernden Transistors der Gateregion (44) des Steuerthyristoxs entspricht.
  3. Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung, welche die Struktur eines vertikalen Thyristors mit Steuerverstärkung nach Anspruch 1 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren eine Region (54) des Leitfähigkeitstyps des Substrats umfaßt, welche einen Teil der Anodenschicht des Steuerthyristors ersetzt, welcher einem Teil der Kathodenregion des Steuerthyristors gegenübersteht.
  4. Dipolkomponente zur Triggerung durch eine Kippspannung mit kontrollierter Kippempfindlichkeit nach Anspruch 3, welche in einem Halbleitersubstrat eine erste vertikale NPNP-Struktur (46, 42, 41, 48), die einem Hauptthyristor entspricht, und eine zweite vertikale NPNP-Struktur (47, 44, 41, 48), die einem Steuerthyristor entspricht, umfaßt, wobei die Anoden der Haupt- und Steuertransistoren derselben Schicht (48) auf der Rückseite des Substrats entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Anodenschicht des Steuerthyristors, der einem Teil der Kathodenregion des Steuerthyristors gegenübersteht, durch eine zusätzliche Region (54) des Leitfähigkeitstyps des Substrats ersetzt ist, wobei eine Rückseitenmetallisierung (50) die Anodenregionen des Thyristors und die zusätzliche Region (54) kontaktiert, eine Kathodenmetallisierung (51) auf der Kathode des Hauptthyristors gebildet ist und eine Verbindungsmetallisierung (52) die Kathode des Steuerthyristors mit der Gateregion des Hauptthyristors verbindet.
  5. Komponente nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie des weiteren eine Verlängerung (42) der Gateregion des Hauptthyristors, die einer Region (49) des gleichen Leitfähigkeitstyps wie das Substrat gegenübersteht, um eine zu dem Hauptthyristor antiparallele Diode zu bilden.
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