SE468731B - Slaeckbart tyristorsystem - Google Patents

Description

;f Ü V7? 4(;u / .-....\. emitterövergàngar kortsluts med hjälp av en med tyristorn integrerad MOS-fälsteffekttransistor. På grund av att släck- transistorn är integrerad med tyristorn är det inte möjligt att optimera utformingen av tyristorn och av släcktransis- torn oberoende av varandra. Vidare är det svårt att vid hög strömtäthet undvika parasiteffekter, som omöjliggör släck- ning på avsett sätt.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att àstadkomma ett system av inlednings- vis angivet slag, - vilket kräver làg styreffekt, såväl för tändning som för släckning, - vilket kan föra belastningsström med lågt ledspännings- fall och därmed små ledförluster, - vilket kan arbeta vid höga spänningar, - vid vilket parasiteffekter undviks, varigenom komponen- ten kan tillåtas arbeta vid höga strömtätheter, samt - vid vilket tyristorstrukturens utformning kan optimeras oberoende av släcktransistorn.

Vad som kännetecknar ett tyristorsystem enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i an- slutning till bifogade figurer 1-5. Fig 1 visar ett princip- schema för ett system enligt uppfinningen. Fig 2a visar ett snitt genom en del av den halvledarkropp där de i systemet ingående bipolära transistor- och tyristorstrukturerna samt ' MOS-transistorerna för tändning är utbildade. Fig 2b visar, sett från katodsidan, emitter- och basskikt hos en av de i ' systemet ingående tyristormodulerna, samt vissa av de i sys- temet ingående och på halvledarkroppen anbringade styr- och kontaktskikten. Fig 3 visar hur vid en utföringsform den separata halvledarkropp, i vilken systemets släcktransistor 468 73? är utbildad, är anordnad på den halvledarkropp, i vilken systemets övriga transistorstrukturer samt tyristorstruktu- rerna är utbildade, men skild från sistnämnda halvledarkropp av ett elektriskt isolerande skikt.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Fig 1 visar ett principschema över en utföringsform av ett system enligt uppfinningen. Det innefattar en första halv- ledarkropp H1, i vilken ett flertal moduler TMl, TM2, TM3 etc är anordnade, samt en andra halvledarkropp H2, i vilken en MOS-fälteffekttransistor MN2 för släckning av komponenten är utbildad. Halvledarkropparna utgörs av kisel. Transistorn MN2 kan exempelvis vara utförd i s k SOS-teknik (SOS = Sili- con On Sapphire).

Systemet har en anodanslutning A och en katodanslutning C.

Báda dessa anslutningar är förbundna med alla modulerna.

Släcktransistorn M2 är ansluten mellan katodanslutningen C och en ledare B, vilken utgör en lágresistiv förbindelse till alla modulerna. Transistorns styre är anordnat för tillförande av en styrsignal Goff för släckning av systemet.

En ledare D utgör en förbindelse till alla modulerna för tillförande av en tändsignal Gon.

Modulerna är sinsemellan identiska. Varje modul innehåller en bipolär transistorstruktur QPO av PNP-typ mellan syste- mets anod- och katodanslutningar. Tvá bipolära transistor- strukturer, en PNP-transistor QPl och en NPN-transistor QNl, är kopplade till varandra sá att de pà känt sätt utgör en tyristorstruktur, vilken i serie med ett motstánd Rn ligger inkopplad mellan systemets anod- och katodanslutningar. En MOS-fälteffekttransistor MNl för tändning av tyristorstruk- turen är i serie med motstànd RD och Rs inkopplad mellan tyristorstrukturens anodsidiga basskikt och dess katodsidiga emitterskikt. Transistorns styre är anslutet till ledaren D för tillförande av tändsignalen Gon. Ledaren B är via ett motstånd Rpl ansluten till tyristorstrukturens katodsidiga C "7?4 4- Ö /\J1 C,|\ basskikt, vilket med hjälp av transistorn M2 kan förbindas med katodanslutningen C för shuntning av tyristorstrukturens katodsidiga emitterövergång för släckning av systemet.

Transistorerna M1 och MN2 är N-kanaltransistorer av anrik- ningstyp (normalt oledande).

Fig 2a visar en av modulerna TMl etc i form av ett snitt genom halvledarkroppen H1. Närmast sin i figuren undre yta har denna ett kraftigt P-dopat skikt 1, vilket utgör tran- sistorns QPO emitter och tyristorstrukturernas anodsidiga emitter. Närmast detta skikt finns ett N-dopat skikt 2 och ett svagare N-dopat skikt 3 vilket senare utgör tyristor- strukturernas anodsidiga basskikt och transistorns QPO bas- skikt. Skiktet 2 hindrar genom sin kraftigare dopning det spärrskikt som vid blockspänning över systemet (anoden posi- tiv i förhållande till katoden) utbildas vid övergången mel- lan skikten 3 och 4-4a från att nå anodemitterskiktet 1. De nu nämnda skikten är gemensamma för samtliga moduler.

Ett likaså för alla modulerna gemensamt kollektorskikt 4, 5, 6 är anordnat närmast halvledarkroppens motsatta yta. Detta skikt utgörs av två P-dopade skikt 4 och 5 samt ett krafti- gare P-dopat skikt 6, och det utgör transistorns QPO kollek- torskikt.

Varje modul har ett i en öppning i kollektorskiktet anordnat kraftigt N-dopat individuellt tyristoremitterskikt 7. Detta skikt är anordnat i ett P-dopat skikt 4a, 5a som utgör tyristorstrukturens katodsidiga basskikt. För ledarens B kontaktering av detta skikt är det närmast halvledarkroppens yta försett med ett kraftigt P-dopat område 6a. Skiktets 4a i figurens högra del invid kroppens yta utgör kanalområdet hos transistorn MNl, vars source-område utgörs av det med tyristoremitterområdet 7 förbundna N-dopade området 8 och vars drainomráde utgörs av basskiktet 3. Resistansen i bas- skiktet 3 bildar det i fig 1 visade motståndet RD. 468 751 Mellan området 7 och kanalområdet sträcker sig ett tunt och svagare N-dopat område 8. Resistansen hos detta område utgör det i figur 1 visade motståndet Rs. _ Området 4a är vid sin i figuren vänstra del förbunden med skiktet 4 med hjälp av en brygga 40 av P-ledande material.

Härigenom erhålles en partiell överbryggning av tyristor- strukturens emitterövergång (kortsluten emitter) och därmed dels på känt sätt en ökning av tyristorns dU/dt-tålighet och dels i viss grad ett underlättande av tyristorstrukturens släckning. Genom lämpligt val av bryggans 40 dimensioner och ledningsförmåga kan den partiella överbryggningen av emit- terövergángen ges önskad grad av effektivitet. Bryggan kan sträcka sig utefter större eller mindre del av områdets 4a rand, men bryggan får dock inte sträcka sig in i området för transistorn MNl.

Ett skikt 20 av polykisel utgör styre för transistorn MN1 och är skilt från halvledarkroppen av ett tunt kiseldioxid- skikt. Skiktet 20 är som schematiskt visat i figuren förbun- det med ett ledarmönster 21 av polykisel (polykristallint kisel) som, eventuellt i kombination med ett metallmönster, utgör ledaren D.

På halvledarkroppens yta är ett kiseldioxidskikt 13 anordnat och försett med öppningar för kontaktering av kroppens olika områden samt av polykiselskikten. Ett metallskikt 12 kontak- terar transistorns QPO kollektorskikt 6. Ett ytterligare metallskikt 15 kontakterar tyristorstrukturens emitteromràde 7 och den närmast transistorn MNl belägna delen av samma kollektorskikt. Ett gap mellan metallskikten 12 och 15 ovan- för oxidskiktet l3a gör att strömmen från tyristorstrukturen till katodkontakten måste genomflyta området 6, vars under gapet belägna del utgör motståndet Rn.

Ett metallskikt 17 kontakterar området 6a och utgör eller är förbundet med ledaren B. Ovanpå metallskikten 12, 15, 17 är ett ytterligare oxidskikt 14 anordnat, och ovanpå detta _» -3 731 "ß CT* skikt är ett sammanhängande metallskikt 16 anordnat, vilket genom öppningar i oxidskiktet 14 kontakterar metallskiktet 12 och utgör systemets katodanslutning.

De i principschemat i figur 1 visade komponenterna är även utsatta i figur 2. Motstànden Rpl och Rp2 utgörs av lateral resistans hos områdena 4a och Sa. Transistorn QPO i figur 1 är i figur 2 visad som en del QPO2 till höger om tyristor- modulen i figuren, och en del QPOl till vänster om tyristor- modulen.

Det P-dopade området 4a har relativt làg dopning för att er- hålla låg tröskelspänning hos transistorn MN1. Området 5a har kraftigare dopning än skiktet 4a för att ge lågt late- ralt spänningsfall.

Som ovan nämnts utgörs transistorns QPO kollektorskikt 4-6 ett sammanhängande skikt som är försett med öppningar för tyristormodulerna. Öppningarna och tyristormodulerna kan ex- empelvis vara fördelade över halvledarkroppens yta i ett tvådimensionellt rutmönster.

Figur 2b visar ett exempel på utformningen av en tyristor- modul och dess anslutningsskikt. Den heldragna linjen 101 utgör gränslinjen mellan skiktet 4 och skiktet 3, och den heldragna linjen 102 gränslinjen mellan skiktet 3 och om- ràdet 4a. Därvid har bortsetts från bryggan 40 mellan skik- tet 4 och området 4a. Den heldragna linjen 103 utgör gräns- linjen mellan området 8 och områdena 4a respektive 7. Den heldragna linjen 104 utgör gränslinjen mellan området 7 och områdena 4a-5a respektive 8. Den prickade linjen 20 utgör randen hos transistorns MN1 styre, och den under styret be- lägna delen av området 4a utgör transistorns kanalområde.

Metallskiktet 15 kontakterar skiktet 4 i kontaktomràdena 15a - l5e och området 7 i kontaktomrádet 15f. Metallskiktet 17 kontakterar området 5a (via områdena 6a) i kontaktomràdena l7a - l7e. Metallskiktet 12 kontakterar kollektorskiktet 4-6 i ett flertal kontaktomráden, av vilka endast de närmast u: v - 468 731 tyristormodulen belägna områdena l2a - l2f är visade i figu- ren.

Figur 3 visar schematiskt hur den halvledarkropp eller det halvledarskikt H2, i vilken släcktransistorn M2 är utbil- dad, är placerad isolerad från halvledarkroppen H1 men elektriskt ansluten vid B och C. Kroppen/skiktet H2 kan då som ovan nämnts vara utförd i SOS-teknik, varvid skiktet 30 utgörs av safir.

I figur 4 är halvledarkroppen/skiktet H2 placerad på halvledarkroppen H1 men isolerad från denna av ett skikt 30a.

Figur 5 visar ett speciellt fördelaktigt monteringssätt för halvledarkroppen H2. Den är här monterad med s.k. flip- chipteknik till halvledarkroppens H1 kontaktställen C och B så att dessa förbindelser blir mycket làgohmiga. För att göra Goff externt átkomlig ansluts Goff-kontakten till en metallyta 31 som är isolerad från halvledarkroppen H1 med ett skikt 30b (t.ex. kiseldioxidskikt) och sträcker sig in under kroppen H2.

Systemet tänds genom att en kort positiv spänningspuls Gon tillförs ledaren D och därmed styrena hos transistorerna MNl. De senare blir därvid ledande, varvid ett elektronflöde erhålles från områdena 7-8 via MNl in i basskiktet 3. Detta ger i sin tur upphov till en hålinjektion fràn emittern l in i basen, och detta över hela emitter-bas-övergången 1-2-3.

En del av denna hàlström flyter till de delar av kollektor- områdena 4-6 som kontaktas av katodkontakten - transisto- rerna QPOl och QPO2 leder. En andra del av hålströmmen flyter via NPN-transistorn QN1 och orsakar elektroninjektion från emitteromrádet 7. Härigenom erhålles tyristorfunktion hos tyristorstrukturen QP1 - QNl, och tyristorn fortsätter att föra ström med lågt ledspänningsfall även efter det att transistorn MNl efter styrpulsens Gon slut återgått till oledande tillstànd. Ü*- CO m U4 För att underlätta släckningen har det visat sig fördel- aktigt att utforma komponenten sà att en icke oväsentlig del av den totala strömmen kommer att genomflyta transistor- delarna QPO. Ett lämpligt förhållande mellan strömmarna är exempelvis 80 % av strömmen i tyristordelarna och 20 % av strömmen i transistordelarna. Förhållandet mellan strömmarna kan styras med hjälp av areaförhállandet mellan transistor- och tyristordelarna. För att önskad strömfördelning skall erhållas har det visat sig viktigt att transistordelarnas totala area är väsentligt större än tyristordelarnas totala area, exempelvis 3 till 20 gånger större.

Systemet släcks genom att en positiv styrspänningspuls Goff tillförs transistorns MN2 styre, varvid denna transistor blir ledande och kortsluter ledaren B och därmed tyristor- strukturernas basskikt 4a-5a till katoden C. Om produkten av tyristorström och lateral resistans Rpl är mindre än ca 0,5 V upphör elektroninjektionen från emitteromràdet 7. Under släckförloppet övertas större delen av hálströmmen av tran- sistordelarna QPO. I basskiktet 3 befintliga hàl försvinner ut genom transistordelen och transistorn MN2 via ledaren B.

När hálen är borta upphör bàde tyristor- och transistordelen att leda, och komponenten har släckts.

För att fà effektiv släckning utföres ledaren/ledarmönstret B sá att det får làg resistans. I samma syfte utföres släck- transistorn MN2 med så lágt ledspänningsfall som möjligt.

Eftersom den är separat kan den enkelt ges stora dimensioner och därmed lågt ledspänningsfall. Det har vidare visat sig fördelaktigt att som släcktransistor använda en MOS-transis- tor av N-typ, därför att denna transistortyp har bästa möj- liga konduktans per ytenhet.

I sitt oledande tillstànd kan systemet ta upp hög blockspän- ning (anoden A positiv i förhållande till katoden C), varvid övergången mellan basskiktet 3 och kollektorskiktet 4 är II spärrande.

Genom att MOS-komponenter används både för tändning och för släckning av systemet krävs mycket liten styreffekt. De an- vända MOS-komponenterna kan vidare utföras med låg styrka- pacitans, vilket ytterligare reducerar kraven pà styreffekt och ger systemet hög snabbhet.

Genom att den dominerande delen av belastningsströmmen förs av tyristordelen med sitt låga spänningsfall får systemet lága ledförluster.

Den separata släcktransistorn har visat sig kunna ge en ef- fektiv släckning av systemet, även vid höga strömtätheter, exempelvis av storleksordningen 500 A/cm2.Till den effektiva släckningen bidrar att systemet kan ha en lág grunddopning (dopningen i N-basskiktet 3). Släckningen underlättas vidare av att den relativt làga hàlströmmen fràn transistorstruk- turen QPl effektivt shuntas till katoden genom det relativt lágresistiva skiktet 5a. Den shuntning av tyristordelarnas katodemitterövergàngar som äger rum under släckförloppet un- derlättas vidare väsentligt av det med varje tyristormodul seriekopplade motståndet Rn. Detta motstánd begränsar ström- men till varje enskild tyristoremitter. Under släckförloppet kommer motståndet att medföra att potentialen hos en tyris- toremitter med hög ström höjs, varvid shuntningen av emit- terövergàngen automatiskt blir effektivare.

Vid ett system enligt uppfinningen undviks s k latch-up (oönskad tyristorverkan) under släckförloppet. Till detta bidrar att transistorns MNl source-område 8 är har relativt svag dopning och därmed làg injektionsverkningsgrad. Vidare kan enkelt strömmen av områdets 8 inbyggda serieresistans begränsas till ofarliga nivåer. För att denna fördelaktiga effekt skall erhållas bör serieresistansen i området 8 vara av minst samma storleksordning som den ekvivalenta resistan- sen i P-basen 4a-5a.

..F>.

ON 10 751 Det ovan beskrivna systemet utgör endast ett exempel pà en CÜ föredragen utföringsform av uppfinningen, och andra utfö- ringsformer är tänkbara inom ramen för uppfinningen.

Exempelvis kan andra halvledarmaterial än kisel användas. Även om den ovan beskrivna PNP-strukturen hos transistorde- larna QPO har visat sig vara mest fördelaktig, så kan alter- nativt dessa utformas som NPN-transistorer.

Bryggan 40 för partiell kortslutnng av tyristordelens ka- todemitterövergàng kan eventuellt utelämnas.

I det ovan beskrivna utföringsexemplet har för tydlighets skull endast ett fåtal moduler visats. Antalet tyristormodu- ler och deras dimensioner och inbördes avstånd, liksom di- mensionerna hos transistordelarna får i varje särskilt fall anpassas till det aktuella kravet pá strömhanteringsförmàga hos systemet.

Som visats i figur 3 kan släcktransistorn MN2 vara anbringad pá den halvledarkropp i vilken systemets huvuddelar är ut- bildade. Alternativt kan den vara skild från nämnda halvle- darkropp (men företrädesvis anbringad i samma kapsel som denna), varvid förbindningar med låg resistans anordnas mel- lan de bàda halvledarkropparna.

Alternativt kan systemet förses med ett flertal släcktran- sistorer, var och en företrädesvis gemensam för en grupp av tyristormoduler.

Som ett alternativ till den ovan beskrivna och visade släck- transistorn MN2 kan andra släckorgan användas, t ex andra typer av halvledarkomponenter än MOS-transistorer.

Vid den ovan beskrivna utföringsformen av ett system enligt uppfinningen är varje tyristormodul försedd med en transis- tor (MNl) för tändning av tyristormodulen och därmed av sys- I)

Claims (13)

U F 4 7 468 /O: temet. Alternativt kan endast vissa tyristormoduler vara försedda med sådana transistorer, varvid tändningen av sys- temet sker genom lateral spridning av laddningsbärare frán dessa moduler. Transistorstrukturens kollektorskikt 4-6 utgörs i den ovan beskrivna utföringsformen av ett enda sammanhängande skikt. Alternativt kan systemets transistorstruktur vara uppdelad på ett flertal delar, var och en med sitt separata kollek- torskikt. PATENTKRAV

1. Släckbart tyristorsystem kännetecknat av att det innefattar en första halvledarkropp (H1) med en första och en andra motstàende huvudyta, vilka är försed- da med en första (A) respektive en andra (C) huvudkontakt för systemets belastningsström, ett första emitterskikt (1) av en första ledningstyp (P) närmast den första huvudytan och anslutet till nämnda första huvudkontakt(A), ett till det första emitterskiktet gränsande basskikt (2,3) av en andra ledningstyp (N), vid den andra huvudytan minst ett till nämnda andra huvud- kontakt (C) anslutet kollektoromráde (4,5,6) av nämnda första ledningstyp (P), vilket tillsammans med basskiktet (2,3) och nämnda första emitterskikt (1) bildar en transis- torstruktur (QPO), vid nämnda andra huvudyta ett flertal tvàskiktsmoduler, var och en innefattande ett område (4a,5a) av nämnda första led- ningstyp (P), i vilket ett till nämnda andra huvudkontakt anslutet individuellt tyristoremitteromráde (7) av nämnda ß f Q 7:21 12 :Oo .J andra ledningstyp (N) är anordnat, varvid varje tvàskikts- modul tillsammans med nämnda första basskikt (2,3) och första emitterskikt (1) bildar en tyristormodul (QPLQNl), varvid åtminstone vissa av tyristormodulerna har en med halvledarkroppen integrerad MOS-transistor (MNl) för tänd- ning av tyristormodulerna, vilken MOS-transistor är ansluten mellan nämnda första basskikt (3) och tyristormodulens indi- viduella emitterskikt (7) , samt av att systemet innefattar ett för ett flertal tyris- tormoduler gemensamt släckorgan (MN2), anordnat att för släckning av tyristormodulerna shunta modulernas individu- ella emitterövergàngar (7-5a) .

2. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 1, kän- netecknat av att en tyristormoduls individuella emit- teromràde (7) är anslutet till nämnda andra huvudkontakt (C) via ett i nämnda kollektoromràde (4,5,6) integrerat första motstånd (Rn) för begränsning av tyristormodulens ström.

3 Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 1, kän- netecknat av att en tyristormoduls MOS-transistor (MNl) är ansluten till modulens individuella emitterskikt (7) via ett andra motstånd (8) .

4. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 3, kän- netecknat av att det andra motståndet (8) utgörs av ett mellan MOS-transistorns kanalomràde (4a) och det indivi- duella emitterskiktet (7) anordnat omrâde (8) av nämnda and- ra ledningstyp (N).

5. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 1, kän- OJ netecknat av att kanalomràdet hos en MOS-transistor (MNl) utgörs av en del av det omrâdet (4a) av nämnda första ledningstyp (P) hos den i tyristormodulen ingående tvà- skiktsmodulen. 13 468 751

6. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet l, kärr- netecknat av att det ena av source- respektive drain-områdena hos en tyristormoduls MOS-transistor (MNl) utgörs av en del av nämnda första basomráde (3) .

7. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet l, kärr- net e cknati av at t en tvàskiktsmoduls omrâde (4a) av nämnda första ledningstyp (P) är partiellt förbundet med an- gränsande kollektoromráde (4) med hjälp av en brygga (40) av material av nämnda första ledningstyp (P).

8. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet l, kärr- n e t e c k n a t a v a t t släckorganet utgörs av en andra MOS-transistor (M2) utbildad i en fràn den första halvle- darkroppen skild andra halvledarkropp (H2).

9. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 8, kärr- n e t e c k n a t a v a t t nämnda andra halvledarkropp (H2) är anordnad förbunden med nämnda första halvledarkropp (Hl) men skild från denna av ett elektriskt isolerande skikt (30a).

10. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 8, käJ1- n e t e c k n a t a v a t t nämnda andra halvledarkropp (H2) är anordnad förbunden med nämnda första halvledarkropp (H1) via metalliska kontaktomràden (32, 33, 34).

ll. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 8, käri- net:ec:kr1at av ati: den andra MOS-transistorn (MN2) ut- görs av en MOS-transistor av N-typ.

12. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet 1, kärr- n e t e c k n a t a v a t t halvledarkroppens skikt och omràden av nämnda första ledningstyp är P-ledande och kroppens skikt och områden av nämnda andra ledningstyp är N-ledande. . 4 6 '7 4 l 4 I' E LN 8

13. Släckbart tyristorsystem enligt patentkravet l,]cär1- n e t e c k n a t a v a t t den totala arean hos nämnda kollek- toromráden (4) är minst 3 gånger större än den totala arean hos områdena (4a,5a) av den första ledningstypen (P) hos- nämnda tvàskiktsmoduler. v31' f) IA