SE423946B - Tyristor anordnad for sjelvtendning - Google Patents

Description

10 15 25 SO 55 8007036-0 skikt 2 och 3 och ett andra emitterskikt 4. Emitterskikten är lu-aftigare dopade än basskikten. För att minska injektionsverkningsgraden hos anod- emitterövergången är ett högdopat N-ledande skikt 3' anordnat i basskiktet 5 närmast emitterskiktet 4. Störämneskoncentrationen hos den del av skiktet 3' som ligger närmast emitterskiktet 4 är lämpligen av samma. storleksordning som störämneskoncentrationen hos den del av skiktet 4 som ligger närmast skiktet 3'. Skiktet 1 är försett med en katodkontakt 6 och skiktet 4 med. en anodkontakt 5. För att få lågt kontaktmotstånd mellan kontakten 6 och skik- tet 1 är närmast kontakten 6 anordnat ett skikt 7 av platinasilicid. Kontak- terna 5 och 6 består av metallskikt, t ex guldskikt. Eventuellt kan även under kontakten 5 ett platinasilicidskikt anordnas för att nedbringa kontakt- motståndet. Skiktet 1 är försett med över dess yta fördelade kortslutningshål 8, genom vilka basskiktet 2 når upp till katodkontakten 5-7. Ett tunt P+- ledande skikt 9 är anbringat vid randen av basskiktet 2. Det löper lämpligen runt hela randen av basskikbet och omger alltså. emitterskiktet 1. Skiktet 9 bildar tillsammans med skiktet 5 en zenerdiod, som får spärrspäizming vid positiv anodkatodspäaming över tyristorn. Zenerdiodens genombrottsspänning (lmäspänning) bestäms dels av skiktets 9 störämneskoncentration, dels av . lcrölczxingsradien (r1) i fig 2) vid skiktets 9 rand. Krökningsradien påverkar fältgeometrin vid skiktets rand och därmed hur stor den högsta förekommande i fältstyrkan blir vid en viss påtryckt spänning. Genombrottsspärmingen kan fås att anta önskat värde genom lämpligt val av skiktets 9 störämneskoncentration och lcrökningsradien vid skiktets rand. För att säkerställa att genombrott sker vid zenerdioden och inte i själva tyristorn är företrädesvis dopningen hos skiktet 9 haftigare än hos skiktet 2, och vidare lcrölmingsradien (r1) vid skiktets 9 rand mindre än lcrölmingsradien (rg) vid skiktets 2 rand. Ett e skikt 10 av platinasilicid ger en lågresistiv ohmsk förbindelse i sidled från zenerdioden över till själva tyristorns basskikt 2. Tyristorns yta täcks av ett kiseldioxidskilct 11. Ett ringfornxat skyddsskikt 12, som är kraftigare N-dopat, löper runt anordningens rand och förhindrar ytläokström- mar s Fig 2 visar schematiskt hur tyristorn utgörs av skikten 1-4 och kontakterna. 5 och 6. En vid positiv anodspänning ledande diod 13 utgörs av skikten 4, 5' och 5 och ligger i serie med den av skikten 3 och 9 bildade zenerdioden 14. Resistansen R1 i fig 2 utgörs av den laterala resistansen hos skiktet 10 samt hos skiktet 2 fram till randen av emitterskiktet 1. Resistansen R2 i fig 2 utgörs av den laterala resistansen hos skiktet 2 från randen av skik- tet 1 och fram till närmaste kortslutningshål 8. 10 15 25 35 8007036-0 När spänningen över tyristorn är positiv på kontakten 5 och överstiger zenerdiodens lcnäspänning flyter ström genom dioderna 13 och 14 och resis- tanserna R1 och 122 till tyristorns katod. Nar spänningsfallet över resis- tansen H2 blir så stort att det uppnår ledspäxmingsfallet (ca 0,5-1 V) hos övergången mellan skikten 1 och 2 börjar emitterskiktet 1 injicera elektroner vid sin närmast zenerdioden belägria rand, och tändningen sprider sig därefter snabbt över tyristorytan.

Pig 3 visar tyristorns ström-spänningskarakteristika, där UK betecknar zenerdioddelens lcnäspänning, UT tyristoms tändspänning, IT tyristorns tändström och IH dess hållström.

Hållströmmen hos tyristorn väljas så. hög att den överstiger den ström som normal linjespänning kan driva genom tyristorn, varigenom tyristorn sloclmar så. snart överspänningen försvunnit. Hållströmmens storlek kan inställas bl a. genom lämpligt val av antalet kortslutningshål per ytenhet.

Ju branta-re kurvdelen A i fig 3 är, dvs ju lägre zenerdioddelens dynamiska resistans är, desto mera väldefinierad är tyristorns vippspännirzg. Vid t ex tyristorns användning som överspänningsskydd är det av stor betydelse att vippspänningen är så. väldefinierad som möjligt. Det är därför ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma en tyristor, där den integrerade zenerdiod- delen har så. låg dynamik resistens som möjligt.

I vissa fall är det önskvärt att tyristorns vippspäamirxg är styrbar, t ex omkopplingsbar mellan tvâ. värden eller kontinuerligt styrbar. Om tyristorn t ex används som-överspänningsskydd kan olilca skyddsnivåer lcrävas vid olika drifttillstånd hos en utrustning som skall skyddas. Genom att koppla om eller styra vippspänningen i beroende av utrustningens drifttillstånd kan då uppnås att slqrddsnivân alltid är avpassad till det aktuella Inravet. Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att åstadkomma en tyristor av in- ledningsvis angivet slag, vars vippspäzmizig är varierbar.

Vid liten märkström blir tyristorns halvledarlcmpp liten, t ex en kvadratisk skiva med en sida. på. någon mm. Kapslingen görs då. ofta genom att skivan an- bringas mellan tvâ. kontaktstift inuti en kapsel på. så sätt, att stiftens ändytor gör kontakt med var sin av skivans båda ytor. Det är då. väsentligt att skivans kontaktyta (t ex ytan av kontakten 6 i fig 1) blir så. stor som möjligt. Vidare kan vid kapslingsn en måttlig snedställziing av det ena kon- taktstiftet innebära att dess ändyta gör kontakt 'både med tyristorns ena huvud- 10 15 20 25 80071036- 0 kontakt (t ex 6 i fig 1) och med skivans rand, vilket innebär att kompo- nenten blir iunktionsoduglig. Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är därför att åstadkomma en tyristor, där halvledarskivan kan ges stor kontakt- yta och där risken att ett kontaktstift komer 'i beröring med skivans rand kan elimineras.

Vid den i fig 1 visade tyristorn finns en icke försumbar risk att vid kaps- lingen, som ofta måste ske vid relativt hög temperatur, atomer av icke önsk- värda material, t ex järn eller koppar från kontaktstiften, tränger in i halvledarlcroppen genom passiveringsskiktet 11 och ger en icke önskvärd sänk- ning av minoritetsladdningsbärarlivslängden, och en okontrollerad påverkan av tyristorns vippspanning. Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är därför att åstadkomma en tyristor, där risken för inträngning av icke önskvärda störatomer är reducerad ooh där vippspänningens beroende av sådana störämxen är reducerat. vad som kännetecknar en tyristor enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bi- fogade figurer 1-7. Fig 1 visar en tidigare känd tyristor, fig 2 en sohematisk bild av tyristorn och fig 3 dess ström-spänningskarakteristik. Fig 4 visar en tyristor enligt uppfinningen. Fig 5 visar en alternativ utföringsform, vid vilken katodkontakten samtidigt utgör skärm över zenerövergången. Fig 6 visar en utföringsform, vid vilken en fristående skärm är anordnad. Fig 7 visar en utföringsform vid vilken tyristorns vippspänning är styrbar på optisk väg.

Pig 1-5 har beslu-ivits ovan.

Fig 4a visar ett snitt genom en tyristor enligt uppfinningen. Den har i huvud- i sak samma uppbyggnad som den i fig 1 visade tyristorn och har samma. hänvis- ningsbeteokllingar. Den har en schematiskt visad anodanslutning A och kated- anslutning K. Utanför randen av P-skiktet 2 är ett antal P+-ledande områden (9) anordnade. Övergången mellan varje sådant område och det N-ledande skiktet , 3 utgör en zenerövergång. Varje sådant område är förbundet med P-skiktet 2 i via ett P-dopat område 16. Ovanpå det isolerande skiktet 11 och ovanför den del av zenerövergången där genombrottet sker är en skärm 15 anordnad., vilken utgörs av ett metallskikt.

Fig 4b visar en del av tyristorn sedd uppifrån (från katodsidan). Randlinjerrla 10 15 25 55 8007036-0 hos skikten 12, 5, 9, 16, 2, 1 är markerade, liksom kortslutningshålen 8.

I fig 4b är fyra Ptdopade områden 9, 9', 9" och 95 visade, vilka är för- bundna med skiktet 2 via P-områdena 16, 16', 16" och 163. Antalet områden 9 och 16 avpassas med hänsyn till den ström (IT i fig 3), som zeneröver- gångarna sammanlagt maximalt skall kunna föra, och kan vara exempelvis något hundratal. Skärmen 15 och kontakten 6 är visade som streckade ytor i fig 4 b.

Skärmen 15 kan vara ansluten till tyristorns katod 6 (schematiskt visat i fig 4a med en ledare L), till dess anod 5 eller till en annan fast eller varierbar potential. Skärmens potential påverkar fältgeometrin vid zener- dicdövergången. Skärmen ger en lateral utbredning av spärrskiktet, och den del av zenerövergåzxgen där maximal fältstyrka uppträder, dvs där genombrottet sker, blir den med en pil i fig 4a markerade delen. I ett typiskt fall er- hålles maximal fältstyrka och därmed genombrott vid den del av övergången som har ca 450 lutning relativt horisontalplanet, dvs relativt djupt under halvledarkroppens yta. vid den tidigare kända tyristorn enligt fig 1a visade det sig i praktiken att genombrottet tenderade att ske vid zenerövergångens närmast ytan belägna del, sannolikt på. grund av att de behandlingssteg som görs efter indiffusionen av områdena 9 förändrar övergångens form så, att ett skarpt hörn erhålles omedelbart under ytan. Härigenom sänks genombrottsspäamingen på. ett okontrol- lerat sätt, och tyristoms vippspäzming blir lägre och uppvisar större sprid- ning. Vidare blir den kritiska delen av övergången mera utsatt för föroren- ingar som diffunderar in i halvledarlcroppen från dess yta och som påverkar genombrottsspänningen. 1- ' Vid tyristorn. enligt uppfinningen komer på. grund av skämens inverkan genom- brottet i zenerövergåzxgen att ske på ett väsentligt större djup under halv- ledarkroppens yta. Eventuella störningar hos övergångens form närmast ytan påverkar därför inte genombrottsspäzmingen. Vidare blir vid övergängens kri- tiska del (den del där genombrottet sker) halten av föroreningar mindre än vid ytan. Dessutom utgör skärmen 15 ett extra skydd mot föroreningar som kan tränga in i lcroppen, t ex vid kapslingen. Av dessa orsaker blir zeneröver- gångens genombrottsspäzmizxg och därmed tyristorns vippspänning väsentligt enklare att förutbestämma och kontrollera och uppvisar mindre spridning än vid den tidigare kända tyristorn. Den vid genombrottet flytande strömmen i skiktet 3 flyter djupare i lcroppen där ytrekombination och halten av livs- 10 15 .25 8007036-0 längdsminskande föroreningar är mindre. Denna ström, som består av från skiktet 4 injicerade laddningsbärare, bidrar till att sänka. zenerdioddelens dynamiska resistans. Denna resistans har visat sig bli väsentlig-t lägre än vid den tidigare kålnda tyristorn och kurvdelen A i fig 5 blir därför bran- tare, vilket är en viktig fördel hos uppfinningen.

Det har visat sig att vid en tyristor enligt uppfinningen den dynamiska resistansen hos zenerdioddelen kan bli negativ inom en del av karakteristikan, vilket sannolikt beror på att injektionsverkningsgraden är strömberoende.

Detta fenomen skulle 'kunna ge upphov till instabilitet och svängningsfenomen och en svårdefiamierad ström-spänningskarakteristika hos tyristorn. Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är därför områdena. 9 skilda från skiktet 2 och förbundna med detta via områdena 16. De sistnämda områdena fungerar som serieresistanser till zenerdioddelar-na. Genom att välja lämpliga värden på områdenas 16 längd, bredd, djup och dopning kan. deras resistanser styras till sådana värden, att de nämnda instabiliteterna. och svängnings- tendenserna elimineras. Det har visat sig att detta kan göras utan att man går miste om uppfinningens viktiga fördel - den låga dynamiska resistansen.

Skärmen 15 ger utöver dessa fördelar även möjlighet till styrning av tyris- torns vippspänning. Som visas i fig 4c kan en strömställare SW vara anordnad så att skärmen valfritt kan förbindas till endera av två. potentialen. I det visade fallet utgörs dessa potentialen av tyristorns anod- och katodpoten- tialer. Nar skärmen ligger förbunden med tyristorns katod 6 erhålles ett högre värde på vippspänningen, och när skärmen ansluts till anoden 5 ett lägre värde. Strömställaren. SW kan utgöras av en transistorkoppling och even- tuellt vara utförd intag-enad med tyristorn :eller vara anordnad i sanma kapsel som denna.

De potentialen till vilka skärmen kan anslutas kan alternativt erhållas med hjälp av utanför tyristorkapseln anordnade spänningskällor, exempelvis med hjälp av mellan tyristorns anod A och katod K anordnade spänningsdelare.

Fig 4d visar hur skärmen kan vara ansluten till en varierbar (alternativt konstant) spänning-skälla 17, som ger skärmen en viss fast eller styrbar poten- tial relativt katoden K. Härigenom kan tyristoms vippspänning fastläggas till önskat värde eller kontinuerligt styras.

Fig 5 visar en utföringsform av uppfinningen, där katodkontakten 6 dragits 10 15 25 55 7 8007036-0 ut i sidled. ut över zenerdioddelen och täcker denna. Katodkontakten utgör då samtidigt skärm över zenerdioddelen och ger samma funktion som den ovan beskrivna skärmen 15, förutsatt att denna. är ansluten till katodpotential.

Vid denna utföringsform erhålles en stor katodkontaktyta och vidare elimi- neras risken för felfunktion vid. en snedställning av den kontaktlu-opp som anbringas i kontakt med katodkontakten 6.

Fig 6 visar hur samma fördelar kan erhållas även vid en skärm som inte är ansluten till katodpotential. Ett isolerande skikt 18, t ex av kiseldioxid, är anbringat ovanpå skärmen 15. Katodkontalcten 6 är sedan utdragen i sidled och täcker det isolerande skiktet 18.

Fig 7 visar en utföringsfoi-m av tyristorn, vid vilken vippspänningen är styr- bar på optisk Endast en del av tyristorns randparti är visad i figuren.

I närheten av zenerövergåxzgens lcritiska del (pilen i figuren) är ett P-ledande område 19, ett Nflledande område 21 och ett P-lsdande område 20 anordnade.

Skärmen 15 gör kontakt med områdena 19 och 20 genom öppningar i isolations- skiktet 11. Vid blockspänning över tyristorn uppstår ett spärr-skikt 22 vid övergången mellan skiktet 3 å ena sidan och skikten 2 och 9 å andra sidan.

Området 19 och skärmen 15 blir då via läckströmmarna kopplade till katodpoten- tial. Ett spärrskikt 25 uppstår då vid övergången mellan skiktet 3 och området 20. Skärmens potential kommer att bli bestämd av förhållandet mellan läck- strömmen vid området 20 och läckströmmen vid området 19. lämpligen utföres an- ordningen så att den förstnämnda läckströmmen är låg jämfört med den sistnämda.

Skärmen antar då normalt en potential som ligger nära katodens potential, och tyristorns vippspänning blir hög. Genom att driva en ström i genom en lysdiod LD bringas denna att utsända ljus, och lysdioden är så anordnad, att ljuset infaller mot spärrskiktet 25. Ljuset genererar laddningsbärare i spärrskiktet och läckströmmen ökar, varvid skärmens 15 potential ökar. Ju starkare belys- ningen är, desto närmare anodens potential kommer skärmen att ligga och desto lägre blir tyristorns vippspänning.

Skiktet 21 separerar spärrskiktet 23 från spärrskiktet 22.

Lysdioden LI) kan vara anordnad i samma kapsel som tyristorn eller utanför kapseln.

Vid utföringsformerna enligt fig 4 och 7 kan ett isolerande skikt anbringas ovanpå. skärmen 15 för att eliminera risken för att vid kontaktering av tyris- torn skärmen gör kontakt med katodkontaktlcroppen.

I figurerna. är komponenternas tjocklek lcraftigt överdriven i förhållande till deras bredd.

Claims (9)

8007036-0 PATENTKBAV

1. Tyristor (1-6), anordnad för självtändning och med en med tyristorn integrerad zenerdiod (5, 9), vilken överbrgrggar tyristorns blockspäzmings- upptagande övergång (2-5). Zenerdioden är så. utformad, att den bestämmer tyristorns vippspännizzg. Tyristorns ena emitterskikt (1) är anordnat vid V tyristorns ena huvudyta, och zenerdioden är anordnad vid samma huvudyta " och bredvid emitterekiktet. Zenerdioden är så. utformad att dess genombrotts- spänning påverkas av fältgeometrin vid en invid nämnda yta liggande del av zenerdiodens Pil-övergång. - Tyristorn k ä n n e t e c k n a s av att en elektriskt ledande skärm (15) är anordnad på tyristorns yta ovanför nämnda del av zenerdiodens PN-över- gång. Ett elektriskt isolerande skikt (11) är anordnat mellan skärmen och ytan vid nämnde del ev övergången. myrietern är försedd ned organ (L) för påverkan av skärmens potential och därigenom av fältgeometrin vid nämnda del av övergången och därmed också. av tyristorns vippspänning.

2. Tyristor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e o k n a d av, att .ett i kontakt med nämnda ena emitterskikt (1) anordnat .kontaktskikt (6) är anordnat att sträcka sig ut över nämnda del av zenerdiodens PN-övergång å den utgdre nämnde skärm. i

3. Tyristor enligt patentkrav 1, ik ä n n e t e c k n a. d av, att skärmen (15) utgörs av ett separat elektriskt ledande skikt.

4. Tyristor enligt patentkrav 5, k ä n n-'e t e c k n a. d av, att tyrisnern är försedd med orden (L, sw) för anslutning ev ekar-men (15) till någon av tyristorns huvudelektroder (A, K).

5. Tyristor enligt patentlcrav 3, k ä n n e t e c k n a. d av, att skärmen (15) är anordnad för anslutning till organ (17) anordnade att ge skärmen en potential som skiljer sig från potentialen hos tyristoms huvud- elektroder (A, K).

6. Tyristor enligt patentkrav 3, k ä. n n e t e o k n a. d av, att tyristorn är försedd med organ (LJ), 19, 20) för optisk styrning av skärmens potential. 8007036-0

7. Ty-.cistor enligt något av föregående patentkrav, 'k ä. n n e - t e c k n a a av, att tyrisføm zeneraioa (5, 9) a: lateralt aula från tyristorns ena. baeskikt (2) och förbunden med detta. via ett resistivt ele- ment (16).

8. Tyristor enligt patentbcav 7, k ä n n e t e c k n a d av, att det resistíva elementet (16) utgörs av ett i tyristorns halvledarlcnopp anordnat ytskikt.

9. Tyrístor enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d av, att den innefattar ett flertal från varandra skilda zenerdioddelar (3, 9; 5, 9'; 3, 9"), vilka var och en via. ett reeistivt element (16, 16', 16") är förbunden med nämnda basskikt (2).