DE1816009C3 - Thyristor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen T yristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten von abwechselnd
entgegengesetzten Leitungstypen, zwei äußeren Schichten, den Emitierschichten, und zwei dazwischenliegenden
Schichten, den Basisschichlen. wobei di<. erste Basisschieht eine durch Diffusion erzeugte Störjtellendichte
hat, die zu der zweiten Basisschieht hin abnimmt, mit einem ersten PN-Übergang zwischen der
ersten Basisschieht und der angrenzenden Emiiterschicht. die eine Öffnung mit einer an die erste Basisschieht
angeschlossenen Steuerelektrode hat. und mit einem zweiten PN-Übergang zwischen den beiden Basisschichten,
der eine erste hauptsächlich ebene Flache bildet, und wobei der erste PN-Übergang einen Hauplteil
hat. der eine zweite hauptsächlich ebene und mit der ersten Fläche parallele Fläche bildet sowie einen an
die Öffnung grenzenden kleinen Teil, unter dem die Dicke der ersten Basisschicht kleiner ist als unter dem
Hauptteil des ersten PN-Überganges. Ein solcher Thyristor ist aus der US-PS 33 00 694 bekannt.
Es ist bekannt, daß man hinsichtlich der Funktion einea Thyristor als. Zusammensetzung zweier Transistorteile
vorstellen kann, wobei die beiden EmiUerschichten Emitter je eines Transistorteils sind und jede
Basisschicht die Basis des einen Transistorteils und de:n Kollektor des anderen Transistorteils bildet und die
Stromverstärkung wenigstens des einen Transistorteils mit dem Strom zunimmt, Die Stromverstärkung eines
Transistoffeiis wird hier als das Verhältnis zwischen
dem Minoritätsladtlngsträgerstrom in der Basisschieht
beim Kollektorübeirgang und dem Gesamtstrom durch den Emitterübergang definiert
An einen Thyristor werden unter anderem r.Wei lror*
derungen gestellt. Erstens muß er eine gute Zündfestigkeit haben, d. h. die Fähigkeit, ohne schädliche Erwärmung
einen schnell anwachsenden Belastungsstrom während des Zündverlaufs zu vertragen. Das ist besonders
dann wichtig, wenn ein mit einem ßC-Kreis mit niedrigem Widerstandswert parailelgeschalteter Thyristor
bei hoher Spannung gezündet wird. Große ZQiidfestigkeit
erhält man, wenn man den Zündverlauf schnell gestaltet, so daß die während des Zündverlaufs entwik-
!o kelle Energiemenge niedrig gehalten wire' Einen
schnellen Zündverlauf erhält man, wenn man demjenigen Transistorteil eine hohe Stromverstärkung gibt, die
bei der Zündung mitwirkt, d. h. bei einem Triodenthyristor dem Transistorteil, auf dessen Basisschieht,
der sogenannten Zünds:hicht, die Steuerelektrode angebracht ist. Hohe Stromverstärkung wird wiederum
z. B. dadurch erhalten, daß man die Zündschichi dünn
macht, indem man den Minoritätsladungsträgern in dieser Schicht eine hohe Lebensdauer gibt oder indem
man den Transistorteil mit einem Emitterwirkungsgrad ausführt.
Zweitens wird von einem Thyristor eine hohe sogenannte dV/dt-Festigkeit verlangt, d.h. die Fähigkeit,
während eines Sperrintervalls einen schnellen positiven Anstieg der aufgedrückten Spannung zu widerstehen,
ohne daß eine Zündung stattfindet. Diese Eigenschaft wird erhalten, wenn man den Thyristor schwerzündlich
macht, was durch e;-ne niedrige Stromverstärkung der beiden Transistorteile gefördert wird.
Bei dem eingangs erwähnten bekannten Thyristor ist die erste Basisschieht in der Öffnung der ersten
Emitterschicht, wo die Steuerelektrode angeschlossen ist, dicker als uncer dem Hauptteil des ersten PN-Überganges.
Das hat zur Folge, daß der größte Teil des Steuerstromes über die an der öffnung liegende senkrechte
Emitterfläche in die Emitterschicht eindringt. Da der Widerstand in der Basisschieht in der Nähe der
Oberfläche kleiner ist — die Dotierungskonzentration ist dort größer —. ist der Steuerstrom nicht bestrebt.
tief in die Basisschieht einzudringen Außerdem ist der
Stromweg zu der genannten senkrechten Fläche der Emitterschicht der kürzeste. Der an dieser Fläche in die
Emitterschicht eintretende Strom ist für die Zündung wenig wirksam. Der bekannte Thyristor erfordert deshalb
für seine Zündung einen großen Steuerstrom.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
den erwähnten bekannten Thyristor derart weiterzuentwickeln. daß er bei einer guten Zündfestigkeit
und einer guten dV/dt-Festigkeit nur einen nicdrigen
.Steuerstrombedarf hat.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Thyristor der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß die erste
Basisschieht unter der öffnung eine Vertiefung hat. an deren Boden die Steuerelektrode an der ersten Basisschicht
angeschlossen ist. Durch diese Anordnung wird die senkrechte Seitenfläche des ersten PN-Übcrganges
im Bereich der Öffnung in der ersten Emitterschicht verkleinert bzw. beseitigt, so daß der Steuerstrom
tipfer in die Basisschieht eindringen muß. um /u den übrigen Flächen der Emitterschicht zu gelangen.
Die Effektivität des Steuerstromes wird damit vergrößert. Der Steuerstrombedarf ist bei guter Zündfestigkeit
und guter dV/dt^Fesligkeit relativ niedrig.
Aus der FR^PS 14 98 740 ist zwar bereits ein Thyrl· stör bekannt, bei dem die Steuerelektrode in einer Ver^ liefühg in der Basisschieht angeordnet ist. Der Emitter^ übergang besieht bei diesem Thyristor jedoch aus einer hauptsächlich ebenen Fläche und Weist keinen Teil in
Aus der FR^PS 14 98 740 ist zwar bereits ein Thyrl· stör bekannt, bei dem die Steuerelektrode in einer Ver^ liefühg in der Basisschieht angeordnet ist. Der Emitter^ übergang besieht bei diesem Thyristor jedoch aus einer hauptsächlich ebenen Fläche und Weist keinen Teil in
der Nähe der Vertiefung auf, wo die Dicke der Busisschicht
kleiner als an den übrigen Teilen unter der Emitterschicht ist. Die Stromverstärkung ist deshalb
bei diesem Thyristor im Zündbereich nicht größer als in den übrigen Bereichen.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Thyristors nach der Erfindung hat die erste Basisschicht dieselbe
Dicke unter der öffnung wie unter dem kleineren Teil
des ersten PN-Übergangss,
Die öffnung in der Emitterschicht und die Vertiefung
in der Basissuiicht sind vorzugsweise kreisförmig oder
konzentrisch. Es ist von größter Bedeutung, daß die Emitterschicht in Kontakt mit der Bodenfläche der
Vertiefung ist, weshalb die Öffnung in diesem Fall mit einem kleineren Durchmesser als die Vertiefung ausgeführt
wird.
Die größere Stromverstärkung im Zündbereich kann auch dadurch erreicht werden, daß die Trägerlebensdauer
in wenigstens einer der Basisschichten in diesem Bereich größer gemacht wird als im übrigen. Hierfür ist
keine Bearbeitung der Thyristoroberfläche notwendig, sondern dieser Effekt kann dadurch erreicht werden,
daß man z. B. durch Diffusion mit einem maskierten Zündbereich der Basisschicht außerhalb oes Zündbereichs
eines größere Konzentration eines die Lebensdauer der Träger herabsetzenden schweren Metalls,
vorzugsweise Gold, gibt als innerhalb dieses Bereichs.
An Hand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden.
Auf einer Bodenplatte 1 ist ein monokristalliner SiIiziumkörper angebracht, der die P-Emitterscliicht 2, die
N-Basisschicht 3, die P-Basisschicht 4 (Zünd-Schicht) und die N-Emitterschicht 5 enthält. Die Emitterschichten
2. 5 sind, verglichen mit den Basisschichten 3, 4, stark dotiert, und die Zündschicht 4 ist stärker dotiert
als die N-Basisschicht 3. Auf der N-Emitterschicht 5 ist die Kathode 5' mit der Kathodenzuleitung 7 angebracht,
und auf der Bodenplatte 1, die gleichzeitig die Anode bildet, die Anodenzuleitung 6. Der Thyristor ist
in Reihe mit einer Belastung 8 an der Wechselspannungsquelle 9 angeschlossen. Durch Variieren des Zeitpunktes
für die Zündung des Thyristors im Verhältnis zur speisenden Spannung kann der Strom durch die Belastung
gesteuert werden. Die Basisschichi 4 hat in ihrem zentralen Teil eine Vertiefung 4', im Zentrum des
Bodens der Vertiefung 4' ist die Steuerelektrode 10 nngeordnet. Dieser wira während des Sperr- und Blockierungsintervalls
des Thyristors eine negative Vorspannung und — wenigstens zu Anfang des stromführenden
Intervalls — eine positive Zündspannung von dem aus den Spannungsquellen 12 und 13 und einem Umschalter
14 bestehenden, schematisch gezeigten Steuergerät zugeführt. Der Umschalter ist in der Lage gezeigt, die
eine negative Vorspannung gibt. Die erste Basisschicht 4 hat am Rande Elektroden 15 und 15', die über einen
Kondensator 16 mit der Kathode 7 verbunden sind und einen niederohmigen Stromweg vorbei am Emitterübergang
bei einer steil ansteigenden Blockierungsspannung und dadurch einen Schutz gegen dV/dt-Zündung
ergeben.
Bei der Herstellung des Thyristors geht man zweckmäßig von einer schwach N-dotierten Siliziumscheibe
aus und erzeugt die P-leitende erste Basisschicht 4 und die P-leitende Emitterschicht 2 durch Eindiffusion, z. B.
von Gallium. Durch Ätzen wird auf der einen Fläche der Siliziumscheibe eine Vertiefung 4' gemacht, die beispielsweise
eine Tiefe von 10 μπι ' ^oen kann. Eine mit
einem zentralen Loch mit einem klein :ren Durchmesser als die Vertiefung versehene Metallfolie, z. B. aus
einer Gold-Antimon-Legierung (Kathode), wird danach an der genannten Fläche festlegiert, wobei sich die
N-Erri'terschicht 5 bildet.
Weil der Abstand zwischen der Emiiterschicht 5 und der zweiten Basisschicht 3 am Boden der Vertiefung
verhältnismäßig klein ist, erhält man eine große Stromverstärkung in diesem Bereich und damit eine schnelle
Zündung und gute Zündfestigkeit. Die außerhalb des Zündbereiches relativ dicke erste Basisschicht 4 ergibt
dort eine niedrige Stromverstärkung und damit gute dV/dt-Festigkeit, zu welcher auch die negative Vorspannung
der Steuerelektrode 10 und der Elektroden 15 und 15' und der Kondensator 16 beitragen.
Bei dem Thyristor nach der Erfindung können auch beide Basisschichten mit Vertiefungen versehen werden,
wodurch die Stromverstärkung in beider. Transistorteilen beeinflußt wird. Die Vorspannungselektrodcn
(Steuerelektrode 10 und Elektroden 15 und 15') u,,d eventuell andere Maßnahmen zum Erhöhen der
dV/dt-Festigkeit können außerdem in anderen an sich bekannten Weisen ausgeführt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen,
zwei äußeren Schichten, den Emitterschichten, und zwei dazwischenliegenden Schichten,
den Basisschichten, wobei die erste Basisschicht eine durch Diffusion erzeugte Störstellendichte: hat,
die zu der zweiten Basisschicht hin abnimmt, mit einem ersten PN-Übergang zwischen der ersten Basisschicht
und der angrenzenden Emitterschicht, die eine Öffnung mit einer an die erste Basisschieht angeschlossenen
Steuerelektrode hat, und mit einem zweiten PN-Übergang zwischen den beiden Elasisschichten,
der eine erste hauptsächlich ebene Fläche bildet, und wobei der erste PN-Übergang einen
Hauptteil hat, der eine zweite hauptsächlich ebene und mit der ersten Fläche parallele Fläche bildet
sowie einen an die Öffnung grenzenden kleinen Teil, unter ^em die Dicke der ersten Basissctiicht
kleiner ist als unter dem Hauptteil des ersten PN-Überganges,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Basisschieht (4) unter der Öffnung eine Vertiefung (4') hat. an deren Boden die Steuerelektrode
(10) an der ersten Basisschieht (4) angeschlossen ist.
2. Thyristor gemäß Ansprucn 1. dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Basisschieht (4) unter der Öffnung dieselbe Dicke wie unter dem kleineren
Teil des ersten PN-Übergangs hat.
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