DE2238564B2 - Thyristor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste Zone eine Hauptemitterzone, die zweite Zone eine erste Basiszone und die dritte Zone eine zweite Basiszone bildet, mit einer Emitterelektrode auf der ersten Zone und einer Zündelektrode auf der ersten Basiszone, mit einer zündverstärkenden Hilfsanordnung.

Solche Thyristoren sind bereits beschrieben worden; (vgl. beispielsweise »Electro-Technology«, Juni 1969, Seite 31). Die zündverotärkenden Hilfsanordnungen haben den Zweck, den Thyristor auch mit einem niedrigen Steuerstrom schnell und sicher zu zünden. Schnelles und sicheres Zünden bedeutet hier, daß der Zündvorgang möglichst auf der ganzen Fläche des Thyristors gleichmäßig einsetzt. Dies ist im allgemeinen nur dann kein Problem, wenn der Zündstrom genügend hoch ist. Nur dann setzt der Zündvorgang linienförmig oder flächenhaft ein, so daß eine zu hohe spezifische Belastung und Zerstörung des Thyristors vermieden wird.

Es ist nämlich im allgemeinen erwünscht, einen Thyristor wegen des geringeren Aufwandes für die Steuerschaltung mit niedrigem Strom zu zünden. Wird ein niedriger Strom in die Steuerstrecke eines Thyristors ohne zündverstärkende Hilfsanordnung eingespeist, so zündet der Thyristor zunächst nur in einem kleinen, punktförmigen Bereich. Dieser punktförmige Bereich muß den ganzen Laststrom übernehmen, was eine hohe spezifische Belastung dieses Bereiches zur Folge hat Es kommt dort daher zur Überhitzung und Zerstörung des Halbleiterkörpers. Der Thyristor ist

ίο damit nicht mehr brauchbar.

Daher sind Thyristoren mit verschiedenen Hilfsanordnungen entwickelt worden, die alle zum Ziele haben, bei möglichst kleinem Steuerstrom schon eine linienförmige oder flächenhafte Zündung des Thyristors zu erreichen. Diese Anordnungen bewirken eine Verstärkung des über die Zündelektrode eingespeisten Steuerstromes. Meist wird dies dadurch erreicht daß die Hilfsanordnung des Thyristors zuerst gezündet wird und der Laststrom dieses Bereiches dann ganz oder teilweise wieder als Steuerstrom für den eigentlichen Thyristor verwendet wird. Durch geeignete Dimensionierung läßt sich erreichen, daß der so erzeugte Steuerstrom um ein Vielfaches größer ist als der eingespeiste Steuerstrom und daß der eigentliche Thyristor linienförmig oder flächenhaft gezündet wird. Damit wird die eingangs beschriebene Gefahr der lokalen Überhitzung und Zerstörung des Bauelementes erheblich herabgesetzt Durch das schnelle Zünden des eigentlichen Thyristors ist die zuerst gezündete

Hilfsanordnung vor Überlastung und Zerstörung geschützt Beispiele mit zündverstärkenden Hilfsanordnungen sind das »amplifying gate«, der Querfeldemitter und eine Kombination aus beiden, das »regenerative gate«. Diese Anordnungen sind beschrieben z. B. in der Zeitschrift »Electro-Technology«, Juni 1969, Seite 31 bzw. »Zeitschrift für angewandte Physik XlX. Band, Heft 5, 1965, Seite 396 bis 400 bzw. »Electronics«, September 1968, Seiten 96 bis 100. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden an Stelle von

■»ο »Zündverstärkender Hilfsanordnung«, von »Hilfsthyristor« und an Stelle von »eigentlichem Thyristor« von »Hauptthyristor« gesprochen.

Bei den bekannten Thyristoren ist die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors und damit ein Schutz des Hauptthyristors nur dann gewährleistet, wenn der Zündstrom für den Hauptthyristor über die Zündelektrode fließt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke angelegte Spannung über

w Kopf gezündet werden. Diese Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Kippspannung des Thyristors überschreitenden Spannung an die Laststrecke im allgemeinen durch einen Lawinendurchbruch des sperrenden pn-Überganges erzielt. Beim Überkopfzün den ist aber nicht sichergestellt, daß der beim Lawinendurchbruch fließende Strom auf dem Weg zum Emitter des Thyristors seinen Weg über den des Hilfsthyristors nimmt. Das heißt, in diesem Betriebsfall kann der Hauptthyristor trotz Vorhandensein eines

Hilfsthyristors zuerst gezündet werden.

Im älteren deutschen Patent 21 40 993 wurde bereits eine Lösung dieses Problems vorgeschlagen. Diese Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die zweite Basiszone einen unterhalb der Zündelektrode liegenden Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen zweiten Basiszone ist, wobei der Bereich nicht über den dem Emitter zugewandten Rand des Hilfsemitters hinausragt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen anderen Weg zur Lösung des oben genannten Problems anzugeben.

Die Erfindung besteht darin, daß die zweite Basiszone mindestens einen Bereich aufweist, bei dem der Quotient aus spezifischem Widerstand der zweiten Basiszone und dem Quadrat der Dicke der zweiten Basiszone größer als im übrigen Teil der zweiten Basiszone ist ir.id daß der Bereich die Hauptemitterzone nicht überlappt

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unttransprüche.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 den radialen Verlauf des spezifischen Widerstandes in der zweiten Basiszone des Halbleiterelementes nach F ig. 1,

Fig.3 den Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors nach einem zweiten Ausf^hrungsbeispiel und

F i g. 4 den Verlauf von Kurven maximaler Sperrspannung in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der zweiten Basiszone mit der Dicke der zweiten Basiszone als Parameter.

Der Halbleiterkörper nach F i g. 1 weist vier Zonen abwechselnden Leitungstyps auf. Die erste Zone bildet den Emitter des Hauptthyristors und ist mit 1 bezeichnet Die zweite Zone 2 bildet die erste Basiszone. Die dritte Zone 3 bildet die zweite Basiszone. Diese ist mit einem Bereich 10 versehen, dessen spezifischer Widerstand durch geringere Dotierung höher als der der zweiten Basiszone 3 außerhalb des Bereiches ist. Die vierte Zone 4 bildet eine zweite Emitterzone. Die erste Emitterzone 1 ist mit einer Emitterelektrode 6 und die zweite Emitterzone 4 mit einer Elektrode 7 versehen. Auf der ersten Basiszone 2 ist eine Zündelektrode 8 angebracht Zwischen der Zündelektrode 8 und der Emitterelektrode 6 liegt der Hilfsemitter 5 eines Hilfsthyristors. Der Hilfsemitter 5 ist mit einer Elektrode 9 versehen, die auf der von der Zündelektrode 8 abgewandten Seite mit der ersten Basiszone 2 elektrisch verbunden ist Die Emitterelektrode 6 weist auf ihrer vom Hilfsemitter 5 abgesandten Seite einen Nebenschluß zur Basiszone 2 auf. Dieser Nebenschluß wird durch in der Emitterzone angebrachte Ausnehmungen, durch die die Basiszone bis zur Elektrode 6 durchgreift, verstärkt.

Der Hilfsemitter 5, die erste Basiszone 2, der Bereich 10 der zwsiten Basiszone 3, die zweite Emitterzone 4 bilden zusammen einen Hilfsthyristor. Da der spezifische Widerstand des Bereiches 10 höher ist als des übrigen Teiles der zweiten Basiszone, liegt die Durchbruchspannung des Hilfsthyristors niedriger als die Durchbruchspannung des Hauptthyristors. Wird an die Elektroden 6 und 7 eine Spannung angelegt, die die Kippspannung des Hilfsthyristors überschreitet, so tritt am sperrenden pn-übergang des Hilfsthyristors ein Durchbruch auf. Der Strom nimmt dann, wie durch die Pfeile angedeutet, seinen Weg durch die Zonen 4,3 und 2 in Richtung auf den Hilfsemitter 5 zu. Dann fließt der Strom waagrecht unter dem pn-Übergang zwischen den Zonen 2, 5 bzw. i, 5 zur Emitterelektrode 6 des Hauptthyristors. Der Strom erzeugt hier an den pn-Übergängen /wische ι den genannten Zonen einen Spannungsabfall, der am pn-Übergang /wischen dem Hilfsemitter 5 und der ersten Basiszone 2 durch entsprechende Dotierung, Dimensionierung und Anordnung der Nebenschlüsse größer ist als an jedem Punkt des pn-Überganges zwischen der ersten Emitterzone 1 und der ersten Basiszone 2. Dann wird der Hilfsthyristor zuerst gezündet Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt dann durch die Elektrode 9 durch die erste Emitterzone 1 zur Elektrode 6 und zündet den Hauptthyristor, der aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 besteht Da der Laststrom

ίο des Hilfsthyristors einen starken Zündstrom für den Hauptthyristor bildet, zündet dieser relativ großflächig. Eine hohe spezifische Belastung des Thyristors wird damit vermieden.

Der spezifische Widerstand des Bereiches 10 liegt zweckmäßigerweise um 5 bis 40% höher als der spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Emitterzone 3. Der Bereich 10 darf den Emitter 1 nicht überlappen, da sonst der beim Durchbruch fließende Strom unter Umgehung des Hilfsemitters in die Emitterelektrode 6 fließen würde eine Zündung des Hiifsthyristors vor dem Hauptthyrisl<ir würde damit nicht mehr gewährleistet sein. Die übrige Dimensionierung des Thyristors unterscheidet sich nicht von einem normalen Thyristor. Der Bereich 10 kann z. B. durch Ausätzen eines Fensters und nachfolgendes epitaktisches Abscheiden von entsprechend dotiertem Halbleitermaterial erzeugt werden. Hierfür genügt es unter Umständen, daß sich der Bereich 10 nur über einen Teil der Dicke der Basiszone 3 erstreckt. Hs besteht jedoch auch die Möglichkeit beim Zerteilen eines zonengeschmolzenen Stabes aus Halbleitermaterial Scheiben mit entsprechendem Verlauf des spezifischen Widerstandes durch Messungen herauszusuchen. Bei einer solchen Scheibe weist der Verlauf des spezifischen Widerstandes auch in den Zonen 2 und 4 eine entsprechende Erhöhung des spezifischen Widerstandes auf. Da diese Zonen durch nachfolgende Dotierungsprozesse um mindestens 1 bis 3 Zehnerpotcnzer höher dotiert sind als die zweite Basiszone 3, spielt die Erhöhung des spezifischen Widerstandes um 5 bis 40%, bezogen auf die wesentlich niedrigere Dotierung der zweiten Basiszone 3, überhaupt keine Rolle.

In F i g. 3 ist der Querschnitt durch ein Halbleiterelement eines Thyristors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt Das Halbleiterelement weist eine erste Emitterzone 11, eine erste Basiszone 12, eine zweite Basiszone 13 und eine zweite Emitterzone 14 auf. Die erste Emitterzone 11 ist mit einer Elektrode 16 und die zweite Emitterzone 14 mit einer Elektrode 17

so verbunden. Die erste Basiszone 12 und die zweite Basiszone 13 weisen im Zentrum Vertiefungen 22 bzw. 21 auf. In der Vertiefung 22 der ersten Basiszone 12 ist eine Zündelektrode 18 angeordnet. Zwischen der Zündelektrode 18 und der ersten Emitterzone 11 liegt ein Hilfsemitter 15, der mit einer Elektrode 19 versehen ist. Diese ist auf der von der Zündelektrode 18 abgewandten Seite elektrisch mit der ersten Basiszone 12 verbunden. Die Elektrode 16 ist auf der vom Hilfsemitter 15 abgewandten Seite elektrisch mit der

mi ersten Basiszone 12 verbunden. Der Hauptthyristor wird durch die Zonen II, 12, 13 und 14 gebildet. Der Hilfsthyristor wird gebildet durch die Zonen 15, 12, 14 und einen durch die Fläche der Vertiefung 21 bestimmte, durch gestrichelte Linien angedeuteten Bereich 23 in

'>'» der zweiten Basiszone· 13.

Wird an die Elektroden 16 und 17 eine die Durchbruchspannung des Hilfsthyristors übersteigende Spannung angelegt, so bricht dieser auf Grund der

geringeren Dicke seiner zweiten Basiszone vor dem Hauptthyristor durch. Dabei fließt entsprechend den Ausführungen in Fig. 1 ein Strom von der Elektrode 17 parallel zu den pn-Übergängen zwischen den Zonen IS und 12 bzw. 11 und 12 zur Elektrode 16. Die Spannung am pn-übergang zwischen den Zonen IS und 12 ist höher als an jedem Punkt des pn-Überganges zwischen den Zonen 11 und 12, so daß der Hilfsthyristor auch bei dieser Ausführungsform zuerst zündet. Der Laststrom des Hii'fsthyristors bildet dann wieder den Zündstrom für den Hauptthyristor. Zweckmäßigerweise wird die Dicke des Bereiches 23 um S bis 50% kleiner als die Dicke der zweiten Basiszone 13 gewählt. Die Vertiefung in der zweiten Basiszone 13 wird zweckmäßigerweise so hergestellt, daß zunächst eine ganze Halbleiterscheibe mit z. B. Siliciumdioxyd maskiert wird. Dann wird an derjenigen Stelle, an der die Vertiefung 22 und 21 angebracht werden soll, auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe ein Fenster geätzt. Dann wird ein Ätzmittel verwendet, das zwar das Halbleitermaterial ätzt, jedoch nicht die Schicht aus Siliciumdioxyd. Anschließend wird die Scheibe mit einem Ätzmittel geäiz?, das das Siliciumdioxyd ätzt, jedoch nicht das Halbleitermaterial. Nach der Reinigung der Oberfläche der Halbleiterscheibe wird diese durch Diffusion dotiert. Dabei entsteht die Vertiefung 21 in der zweiten Basiszone 13.

Im Diagramm nach Fig.4 ist der Verlauf der maximalen Sperrspannung eines Thyristors in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand der zweiten Basiszone eines Thyristors gezeigt. Die Dicke dieser Mittelzone bildet dabei einen Parameter. Die maximale Sperrspannung eines Thyristors wird durch die Durchbruchspannung Ubr und die Punch-through-Spannung Up eines Thyristors bestimmt. Unter der Durchbruchspannung versteht man diejenige Spannung, bei der im Thyristor ein Steilanstieg des Stroms durch Ladungsträgermultiplikation, d. h. ein Lawinenstrom, auftritt. Unter Punch-through-Spannung versteht man diejenige Spannung, bei der sich die Raumladungszone eines gesperrten pn-Überganges bis zum benachbarten "> pn-Übergang erstreckt. Die Sperrfähigkeit dieses pn-Überganges geht dann verloren. Man ist bei Thyristoren bestrebt, die durch die beiden Spannungen begrenzte maximale Sperrspannung auszunutzen. Der spezifische Widerstand ρ der zweiten Basiszone und das

ίο Quadrat der Dicke W dieser Zone werden daher im allgemeinen so aufeinander abgestimmt, daß die Sperrspannung U_sp im Scheitelpunkt der in F i g. 4 gezeigten Kurven sitzt. Dies ist durch Punkte für jede Dicke angegeben. Wird der Quotient g/W im Hilfsthy ristor größer gewählt als im Hauptthyristor, so bedeutet dies, daß die maximale durch Punch-through begrenzte Sperrspannung des Hilfsthyristors kleiner ist als die des Hanntthvristnrs rismi kenn wie beschrieben entweder der spezifische Widerstand der zweiten Basiszone erhöht oder die Dicke dieser Zone erniedrigt werden. Es können auch beide Maßnahmen miteinander kombiniert werden.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen Thyristoren mit »Amplifying gate«.

2ί Die Erfindung ist jedoch auch bei Thyristoren mit Querfeldcmitter und »regenerative gate« brauchbar. Dafür miifl jedoch der Begriff »Haupt- und Hilfsthyristor« definiert werden, da beide einen gemeinsamen Emitter haben, der zwischen Zündelektrode und Emitterelektrode einen nicht von der Emitterelektrode kontaktierten Bereich höheren Widerstandes aufweist. Der Hilfsthyristor soll hier so definiert sein, daß er diesen nicht kontaktierten, höherohmigen Bereich umfaßt. Statt des einen Bereiches 10 bzw. 23 können auch mehrere kleinere Bereiche vorgesehen sein, von denen jedoch keiner die Emitterzone des Hauptthyristors überlappen darf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste Zone eine Hauptemitterzone, die zweite Zone eine erste Basiszone und die dritte ■Zone eine zweite Basiszone bildet, mit einer Emitterelektrode auf der ersten Zone und einer Zündelektrode auf der ersten Basis, mit einer zündverstärkenden Hilfsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basiszone (3, 13) mindestens einen Bereich (10, 23) aufweist, bei dem der Quotient aus spezifischem Widerstand der zweiten Basiszone und dem Quadrat der Dicke der zweiten Basiszone größer als im übrigen Teil der zweiten Basiszone ist und daß der Bereich (10, 23) die Hauptemitterzone (1,11) nicht überlappt

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereichs (10) größer als und seine Dicke gleich wie der übrige Teil der zweiten Basiszone ist

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bereiches (23) kleiner als die Dicke des übrigen Teiles der zweiten Basiszone und der spezifische Widerstand gleich groß wie der spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Basiszone ist

4. Thyristor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereiches größer und seine Dicke kleiner als die Dicke bzw. der spezifische Widerstand des übrigen Teiles der zweiten Basiszone ist

5. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereiches 5 bis 40% höher lieg!

6. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bereiches 5 bis 50% kleiner ist

7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bereiche vorgesehen sind, die die Emitterzone (1,11) nicht überlappen.