DE7312377U - Halbleiter-thyristor - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.· !NG. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANSLEYH Münch.n7i, 2. April 1973 Melchloratr. 42 Unser Zeichen: M060P/G-960/1

Motorola, Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Halbleiter-Thyristor

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Thyristor mit einer Anodenelektrode an der einen Oberfläche und einer Tor- sowie Kahtodenelektrode an einer gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die Torelektrode in ohmischer Kontaktverbindung mit einem Basisbereich des Halbleiterkörpers und die Kathodenelektrode in ohmischer Kontaktverbindung mit einem Emitterbereich innerhalb des Basisbereiches steht, und wobei Teile des Basisbereiches durch den Emitterbereich verlaufen und in ohmischer Kontaktverbindung mit der Kathodenelektrode zur Bildung von punktförmigen Nebenschlüssen stehen.

Für Hochfrequenz-Thyristoren in Form thyristorgesteuerter Gleichrichter für hohe Leistung ist es bekannt,Kathoden-

Fs/ba Emitternebenschlüsse

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Emitternebenschlüsse in punktförmiger Ausbildung vorzusehen, um die Kathoden-Emitterinjektion zu verringern und einen Weg für den Sperrstrom vorzusehen, um die im Basisbereich zurückgelassenen Ladungsträger im Durchlassbetrieb zu beseitigen. Auf diese Weise kann die Verteilungsdichte der Nebenschlusspunkte bzw. der Nebenschlussbereiche und insbesondere das Verhältnis der Nebenschlussbereiche zu dem Kathoden-Emitterbereich vergrössert werden, um die dV/dt-Charakterisitik zu verbessern und die Abschaltzeit des Thyristors zu verkürzen. Durch die Vergrösserung des Verhältnisses der Nebenschlussbereiche im Kathoden-Emitterbereich oder der Verteilungsdichte der Nebenschlusspunkte wird üblicherweise die Wirkungsweise des Thyristors verringert, da dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit kleiner wird. Die sich aus der Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit ergebende Verschlechterung der Charakteristik des Thyristors führt zu hoher Stromkonzentration in kleinen Bereichen. Diese hohe Stromdichte in kleinen Bereichen erzeugt einen Spannungsabfall in Durchlassrichtung, bis sich der Einschaltbereich weiter ausbreitet und die mittleren Stromdichten über diesen Bereich abnehmen. Innerhalb dieses Zeitintervalls wird durch augenblickliche Leistungskonzentration die lokale Temperatur auf ein Niveau angehoben, was zumindest zu einer Verschlechterung des Betriebsverhaltens des Thyristors, wenn nicht sogar zur Zerstörung führen kann· Auch die erhöhte Einschaltzeit führt zu erhöhten Einschaltleistungsverlusten. Der gesamte Einschaltleistungsverlust ist besonders kritisch, wenn der Thyristor für hochfrequente Anwendungsfälle eingesetzt werden soll. Es ist bekannt, dass die Schaltverluste mit dem Anstieg der Frequenz sehr rasch ansteigen. Überdies wird die Leistungsfähigkeit der Halbleiteranordnung stark verringert, da die Einschaltverluste einen überwiegenden Teil der gesamten Verluste ausmachen. Üblicherweise wird ein Thyristor abgeschaltet, indem vor dem Anlegen der Spannung der Strom verringert wird. Auf diese

! - 2 - Weise

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Weise wird wesentlich weniger Leistung beim Abschalten verbraucht bzw. in Wärme umgesetzt. Daraus ergibt sich, dass für den hochfrequenten Betrieb von Thyristoren die Einschaltverluste auf ein Minimum verringert werden müssen und die Abschaltzeit verkürzt werden muss. Ferner muss die Sperrspannung in kürzester Zeit angelegt und die dV/dt-Charakteristik hochgehalten werden. Überdies ist es wünschenswert, die Lebensdauer derartiger Halbleiter-Anordnungen möglichst zu vergrössern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Thyristor in Form eines gesteuerten Gleichrichters, insbesondere für hohe Leistung und für hochfrequenten Betrieb zu schaffen, dessen dV/dt-Charakteristik weiter verbessert ist und bei welchem die Einschaltleistung und damit die Wärmebelastung der Grenzschicht weiter verbessert werden kann, wobei sich gleichzeitig auch eine Erhöhung der Lebensdauer ergeben soll.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Halbleiter-Thyristor gemäss Anspruch 1 erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Punktnebenschlüsse im Bereich der Scheitelpunkte gleichseitiger Dreiecke liegen, und dass die Kante der neben dem Emitterbereich liegenden Torelektrode im Bereich eines Scheitelpunktes des gleichseitigen Dreiecks liegt, welches durch die der Torelektrode am nächsten gelegenen Punktnebenschlüsse bestimmt ist, um dadurch für den Torstrom einen Kanalbereich zwischen den Punktneuenschlüssen zu bestimmen. '

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung_: sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch auf, der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei-

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spiels in Verbindung mit den sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination die Erfindung kennzeichnenden Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Thyristor gemäss 'er Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 4 und 5 Draufsichten auf verschiedene weitere Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 6 und 7 eine Draufsicht und eine Seitenansicht bei einem Transistor mit einer integrierten Toransteuerung;

Fig. 8 das Schaltbild, welches bei einem Thyristor gemäss den Fig. 6 und 7 verwirklicht ist.

Der Zweck eines Kathodennebenschlusses bei Thyristoren dient der Verhinderung einer vorzeitigen Zündung des Thyristors durch Spannungsstösse auf der Kathoden-Anodenleitung und ferner der Schaffung eines Strompfades für Ladungsträger im Basisbereich, sodass der Thyristor rasch abschaltet, wenn der Strom verringert bzw. in seiner Richtung umgekehrt wird. Bei kleineren Thyristoren und damit geringerer Leistung lassen sich diese Kathodennebenschlüsse an den Kanten des Kathoden-Emitterbereiches verwirklichen, die dem Torbereich gegenüberliegend angeordnet sind. Bei grösseren Thyristoren mit höherer Leistung ist ein solcher Kantennebenschluss nicht ausreichend, um eine geeignete dV/dt-Charakteristik aufrecht zu erhalten. Daher werden Punktnebenschlüsse im Kathoden-Emitterbereich vorgesehen. Es ist jedoch offensichtlich, dass eine Vergrösserung der Nebenschlussbereiche in ungünstiger Nähe

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Torbereiches den über das Tor fliessenden Strom soweit übernehmen kann, dass der Thyristor nicht mehr zUndbar ist. Durch geeignete Anordnung des Torbereiches bezüglich der Punktnebenschlüsse im Kathoden-Emitterbereich ist eine KanalzUndung mit hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit möglich, wobei die dV/dt-Charakteristik des Thyristors aufrechterhalten und sogar verbessert werden kann.

Gemäss Fig. 1 und 2 ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein von einem Kanten- oder Seitenbereich zündbarer Thyristor 10 auf einem Substrat bzw. einem normalerweise als Wärmeableitung wirkenden Träger montiert, wobei diese Montageelemente als Anodenelek*.roden für den P-leitenden Emitterbereich dienen, mit dem sie verbunden sind. Der PNPN-Schichtaufbau des Halbleiterplättchens ergibt sich durch das weitere Vorhandensein eines N-leitenden Basisbereiches 14 und eines P-leitenden Basisbereiches 13, sowie dem Kathoden-Emitterbereich 12. Die Torelektrode 15 steht im ohmischer Kontaktverbindung mit dem P-leitenden Basisbereich 13, wogegen ein Kathodenkontakt bzw. die Kathodenelektrode im ohmischer Kontaktverbindung mit dem N-leitenden Emitterbereich 12 steht. Eine Vielzahl von Kathoden-Punktnebenschlüssen 17 verlaufen durch den N-leitenden Emitterbereich 12 und stehen in ohmischer Kontaktverbindung mit der Kathodenelektrode 16.

Normalerweise wird der Halbleiteraufbau hergestellt, indem man von einem N-leitenden Substrat ausgeht, das den N-leitenden Basisbereich 15 bildet. Anschliessend werden der P-leitende Emitterbereich 11 und der P-leitende Basisbereich 13 in den Halbleiterkörper während getrennter oder gleichzeitiger Diffusionsschritte eindiffundiert. Der Kathoden-Emitterbereich 12 wird sodann durch geeignete Maskierung des P-leitenden Basisbereiches 13 ausgebildet, um die Diffusionsbereiche zu begrenzen und den Kathoden-Emitterbereich 12 und die Punkt-

- 5 - nebenschlüsse

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nobenschlüsse 17 auszubilden·

Die Einschaltung eines Thyristors beginnt im Emitterbereich neben dem Torbereich, indem Ladungsträger vom Emitterbereich in den P-leitenden Basisbereich injiziert werden und Ladungsträger über die Grenzschicht zwischen dem P-leitenden Basisbereich und dem N-leitenden Basisbereich dringen, bis sich ein Strompfad zum Anodenbereich ausgebildet hat. Dies ist schematisch mit gestrichelten Pfeilen 21 in Fig. 2 dargestellt. Dieser Einschaltbereich breitet sich über den Emitterbereich aus, um den gesamten Bereich zwischen dem Kathoden-Emitterbereich und dem Anoden-Emitterbereich, wie mit dem Pfeil 22 angedeutet, auszufüllen. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Einschaltbereich ausbildet, wird auch als Ausbreitungsgeschwindigkeit bezeichnet. Um jeden der Punktnebenschlüsse 17 ergibt sich ein Einflussbereich, innerhalb wechem der seitliche Spannungsabfall nicht ausreichend gross ist, um eine nennenswerte Ladungsinjektion auszulösen und daher eine Einschaltung in diesem Bereich zu bewirken. Somit ist die Ursache für die Verringerung der Kathoden-Emitterinjektion (dV/dt) auch verantwortlich für die Behinderung der Ausbreitung des Einschaltbereiches nach dem anfänglichen Zünden.

Der Umfang, bis zu welchem die Ausbreitung des Einschaltbereiches beeinflusst wird, kann durch eine geeignete Anordnung der Kathoden-Punktnebenschlüsse bezüglich der Torelektrode verbessert werden. Da der neben einem Nebenschluss liegende Torbereich Strom innerhalb des Einflussbereiches der Kathoden-Punktnebenschlüsse liefert und den Thyristor mit diesem nicht zünden kann, kann dieser Bereich, wie in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 23 angedeutet, eliminiert werden. Somit wird der von dem Torbereich aus injizierte Strom hauptsächlich dazu benutzt, die Einschaltung auszulösen und geht nicht verloren. Wie durch die gestrichelten Pfeile 24 angedeutet, wird der vom Torbereich ausgehende Strom in den

- 6 - Kanal

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Kanal zwischen den Kathoden-Punktnebenschlüssen gerichtet, da die neben dem Kathoden-Emitterbereich liegende Kante des Torbereiches derart ausgebildet ist, dass sie etwa im Scheitelpunkt eines gleichseitigen Dreiecks liegt, welches von den beiden benachbarten PunktnebenschlUssen 17 bestimmt ist» Die Punktnebenschlüsse begrenzen die Ausbreitungsgeschwindigkeit nicht in diesen Kanälen, sodass sich eine hohe Einschaltgeschwindigkeit ergibt.

In Fig. 3 ist ein Thyristor 30 dargestellt, bei dem der Torbereich in der Mitte des Halbleiteraufbaus angeordnet ist. Die Torelektrode 31 steht in ohmischer Kpntaktverbindung mit dem P-leitenden Basisbereich 32, wogegen die Kathodenelektroden 33 in ohmischer Kontaktverbindung mit den Kathoden-Emitterbereichen 34 und den Kathoden-Punktnebenschlüssen 35 stehen. Die Torelektrode 31 ist in den Bereichen 36 und 37 derart gestaltet, dass Kanten 38 und 39 in dem durch die benachbarten Punktnebenschlüsse bestimmten Scheitelpunkt liegen und nicht im Einflussbereich der benachbarten Punktnebenschlüsse 35. Der Aufbau gemäss Fig. 3 kann dazu benutzt werden, um den aktiven Bereich des Thyristors im Vergleich mit dem Aufbau gemäss Fig. 1 zu verdoppeln oder um die Einschaltzeit etwas zu verringern, indem der Torstrom im Zentrum der beiden Kathoden-Emitterbereiche erzeugt wird, in Abwandlung von der Ausführungsform gemäss Fig. 1, wo die Torelektrode an einer seitlichen Kante des Kathoden-Emitterbereiches angeordnet ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Leistungskapazität des Thyristors weiter durch einen Aufbau gemäss Fig. 4 vergrössert werden, indem nicht nur im Inneren des Kathoden-Emitterbereiches Punktnebenschlüsse vorgesehen werden, sondern durch eine Metallisation über die Kanten des Kathoden-Emitterbereiches Nebenschlüsse mit der

- 7 - P^leitenden

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P-leitenden Basis in Bereichen angebracht werden, die nicht neben der Torelektrode liegen. Dieser Thyristor 40 hat eine Torelektrode 41 in ohmischer Kontaktverbindung mit einem P-leitenden Basisbereich 42, neben dem Kathoden-Emitterbereich 43. Die Kathodenelektrode 44 steht in ohmischer Kontaktverbindung mit dem Kathoden-Emitterbereich 43 und Kathoden-Punktnebenschlüssen 45 und ferner in bestimmten Punkten 46 entlang des Umfangs des P-leitenden Basisbereiches 42. Die Torelektrode 41 ist im Bereich 47 derart ausgestaltet, dass eine vom Tor ausgehende Ladungsträgerinjektion in denjenigen Punkten eliminiert wird, die unmittelbar neben den Bereichen von Punktnebenschlüssen liegen, sodass der vom Tor aus injizierte Strom in Kanäle fliesst, welche sowohl wischen den Punktnebenschlüssen als auch zwischen diesen und der daneben verlaufenden Kante des Kathoden-Emitterbereiches verlaufen.

Bei der Herstellung von thyristorgesteuerten Gleichrichtern mit möglichst hoher Leistung ist es in der Regel vorzuziehen, diese in einer kreisförmigen Konfiguration aufzubauen, wobei das Tor im Zentrum liegt und von einem ringförmigen Kathoden-Emitterbereich umgeben wird. Ein solcher Aufbau ist in Fig. 5 dargestellt und hat eine Torelektrode 51, die in ohmischer Kontaktverbindung mit einem P-leitenden Basisbereich 52 steht, in welchen ein ringförmiger Kathoden-Emitterbereich 53 eindiffundiert ist. Eine ringförmige Kathodenelektrode 45 verläuft über dem Kathoden-Emitterbereich 53 und steht mit diesem sowie mit den Kathoden-Punktnebenschlüssen 54 in ohmischer Kontaktverbindung. Die Torelektrode 51 ist längs ihrer Kante derart ausgestaltet, dass diejenigen Bereiche eliminiert sind, die am nächsten zu Kathoden-Punktnebenschlüssen liegen. Dadurch entstehen bei der dargestellten Ausführungsform zwölf wirksame Torkanten 56, von welchen aus der injizierte Torstrom entsprechend den gestrichelten Pfeilen 57 in Kanälen

Ί| ^: - 8 - zwischen

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zwischen Gruppen von Kathoden-Punktnebenschlüssen verläuft» wodurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit und damit die effektive Einschaltzeit wesentlich verbessert wird, indem Torströme vermieden werden, die direkt auf die Punktnebenschlüsse gerichtet sind. Der Thyristor 50 kann auch noch mit Kantennebenschlüssen 58 versehen sein, um seine dV/dt-Charakteristik weiter zu verbessern.

Ein weiterer kreisförmiger Thyristoraufbau ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Zur Erläuterung dieses Thyristoraufbaus wird auch auf die Schaltung gemäss Fig. 8 Bezug genommen. Dieser Thyristoraufbau ist in der Lage, einen Strom von 100 A mit einer Einschaltzeit von weniger als 2 MikroSekunden zu steuern, wobei die dV/dt-Charakteristik 400 V/Mikrosekunden übersteigt. Der dargestellte Thyristor besteht aus einem Halbleiterplättchen 61, das mit einer Wärmeableitung 62 über einen legierten Bereich 63 verbunden ist, der zwischen dem Anoden-Emitterbereich 64 und der Scheibe für die Wärmeableitung liegt. Der Anoden-Basisbereich 65 wird von dem Silicium-Halbleitermaterial gebildet„ von dem bei der Herstellung ausgegangen wird. Durch eine P-Diffusion wird in diesem Ausgangsmaterial der Kathoden-Basisbereich 66 aufgebaut. Durch zwei grundsätzlich ringförmig und konzentrisch verlaufende N-Diffusionen innerhalb des Kathoden-Basisbereiches 66 werden erste und zweite Kathodsn-Emitterbereiche 67 und 68 gebildet. Eine primäre Torelektrode 69 steht in ohmischer Kontaktverbindung mit dem Zentrumsbereich des Kathoden-Basisbereiches 66, während eine zweite schwimmende Torelektrode 70 diese primäre Torelektrode umgibt und gleichzeitig als Kathodenelektrode für den Kathoden-Emitterbereich 67 dient. Die primäre Kathodenelektrode 71 steht in ohmischer Kontaktverbindung mit dem äusseren ringförmigen Kathoden-Emitterbereich 68, sowie auch mit den Kathoden-Punktnebenschlüssen 72, die innerhalb dieses Kathoden-Emitterbereiches vorgesehen sind. ^{

- 9 - Da

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Da der Thyristoraufbau gemäss Fig. 6 eine dreifache Symmetrie zeigt, wird nachfolgend ein Ersatzschaltbild für das obere Drittel des dargestellten Aufbaus anhand von Fig. 8 beschrieben. Der Anodenanschluss A, der Toranschluss G und der Kathodenanschluss K des Ersatzschaltbildes entsprechen bei dem Thyristoraufbau gemäss Fig. 6 der Scheibe 62 für die Wärmeableitung der primären Torelektrode 69 und der primären Kathodenelektrode 71. Die primäre Torelektrode ist über einen Widerstand R mit dem Tor des äquivalenten thyristorgesteuerten Gleichrichters 81 verbunden, dessen Kathode über einen Widerstand R_n mit der primären Kathode und dessen Anode mit der primären Anode verbunden ist. Wenn der thyristorgesteuerte Gleichrichter 81 eingeschaltet wird, wird ein Strom über die Leiter 82 und parallel geschaltete Widerstände R₅ an die parallel liegenden Tore von äquivalenten thyristorgesteuerten Gleichrichtern 83 bis 86 geleitet. Der Widerstand R repräsentiert den Widerstand .des Kathoden-Basisbereiches zwischen der Torelektrode 69 und dem Bereich zwischen dem Kathoden-Emitterbereich 67 und dem Anoden-Basisbereich 65. Der thyristorgesteuerte Gleichrichter 81 wird von dem Bereich des Thyristors 60 repräsentiert, der unter dem Kathoden-Emitterbereich 67 liegt. Der Widerstand R_n wird durch einen diffundierten N-leitenden Bereich verwirklicht, der den ersten Kathoden-Emitterbereich 67 mit dem zweiten Kathoden-Emitterbereich 68 verbindet. Die äussere Kante des diffundierten Kathoden-Emitterbereiches 67 ist derart ausgestaltet, dass gewisse Bereiche 75 entstehen, mit welchen die schwimmende Kathodenelektrode 70 (schwimmende Torelektrode) ohmisch verbunden ist, um die Torkonfiguration für die äquivalenten thyristorgesteuerten Gleichrichter 83 bis 86 zu schaffen. Die Widerstände R₅ erscheinen als Widerstände des Kathoden-Basisbereiches 66, zwischen den Torelektroden und der inneren Kante des zweiten Kathoden-Emitterbereiches 68. Aus diesem beschriebenen Teilaufbau des Thyristors 60 ergibt sich, dass der dargestellte

- 10 - Aufbau

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Aufbau gemäss Fig. 6 grundsätzlich äquivalent mit drei als Treiber betriebenen thyristorgesteuerten Gleichrichtern ist, die mit 12 parallel geschalteten thyristorgesteuerten Gleichrichtern in einer monolithischen integrierten Bauweise hergestellt sind. ^:

Es ist offensichtlich, dass sich aufgrund der vorausstehend beschriebenen prinzipiellen Gestaltungsmerkmale für den Aufbau von Thyristoren auch weitere Schalt- und monolithische Konfigurationen schaffen lassen, die unter Beibehaltung der wesentlichen Merkmale der Erfindung zu abweichenden geometrischen Strukturen führen.

- 11 - Schützansprüche

Claims (5)

Schutzansprüche

1. Halbleiter-Thyristor mit einer Anodenelektrode an der einen Oberfläche und einer Tor- sowie Kathodenelektrode an einer gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die Torelektrode in ohmischer Kontaktverbindung mit einem Basisbereich des Halbleiterkörpers und die Kathodenelektrode in ohmischer Kontaktverbindung mit einem Emitterbereich innerhalb des Basisbereiches steht,und wobei Teile des Basisbereiches durch den Emitterbereich verlaufen und in ohmischer Kontaktverbindung mit der Kathodenelektrode zur Bildung von punktförmigen Nebenschlüssen stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Punktnebenschlüsse (17, 35, 45, 54, 72) im Bereich der Scheitelpunkte gleichseitiger Dreiecke liegen, und dass die Kante der neben dem Emitterbereich liegenden Torelektrode im Bereich eines Scheitelpunktes des gleichseitigen Dreiecks liegt, welches durch die der Torelektrode am nächsten gelegenen Punktnebenschlüsse bestimmt ist, um dadurch für den Torstrom einen Kanalbereich zwischen den Punktnebenschlüssen zu bestimmen.

2. Halbleiter-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torelektrode derart ausgestaltet ist, dass der Torstrom in denjenigen Bereichen begrenzt wird, welche den der Torelektrode am nächsten gelegenen Punktnebenschlüssen benachbart sind.

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3. Halbleiter-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitterbereich ringförmig ausgebildet ist und die Torelektrode umgibt.

4. Halbleiter-Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer ringförmiger Emitterhilfsbereich vorhanden ist, der konzentrisch innerhalb des ringförmigen Emitterbereiches verläuft, und dass eine schwimmende Torelektrode diesen Emitterhilfsbereich und einen Teil des Basisbereiches verbindet.

5. Halbleiter-Thyristor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennze ichnet, dass die Kontaktverbindung mit dem Basisbereich in einer Vielzahl von Punkten vorgesehen ist, um den Torstrom in Kanäle zu richten, die grundsätzlich zwischen den Punktnebenschlüssen verlaufen.

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