DE1816009C3 - Thyristor - Google Patents

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 l^ror* 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

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)

Patentansprüche:

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.