DE2139559C3 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens
vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die erste, die
Emitterzone, mit einer Elektrode und die zweite, die Basiszone, mit einer Steuerelektrode versehen ist, und
mit einer Hilfsemitterzone, die zwischen Emitterzone und Steuerelektrode liegt und elektrisch mit der
Basiszone verbunden ist, und bei dem die Elektrode des Emitters an einer oder mehreren, von der Hilfsemitterzone
entfernt liegenden Stellen elektrisch mit der Basis verbunden ist.
Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. Der zwischen der Zündelektrode und dem Emitter
liegende Hilfsemitter hat den Zweck, den Thyristor auch mit einem niedrigen Steuerstrom schnell und sicher zu
zünden. Im allgemeinen ist nämlich das schnelle und so sichere Zünden eines Thyristors nur dann kein Problem,
wenn der Zündstrom hoch ist. Nur dann setzt der Zündvorgang linienförmig oder flächenhaft ein. Unter
dieser Bedingung wird eine zu hohe spezifische Belastung und eine Zerstörung des Thyristors vermieden.
Es ist jedoch im allgemeinen erwünscht, einen Thyristor wegen des geringeren Aufwandes für die
Steuerschaltung mit niedrigen Strömen zu zünden. Wird ein solcher niedriger Zündstrom in die Steuerstrecke
des Thyristors eingespeist, so zündet dieser zunächst in einem kleinen, meist punktförmigen Bereich. Dieser
punktförmige Bereich muß den ganzen Laststrom übernehmen, was eine hohe spezifische Belastung zur
Folge hat. Es kommt daher in dem genannten punktförmiger. Bereich zu Überhitzungen und zur
Zerstörung des Halbleiterkörpers. Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.
Man ist daher dazu übergegangen, im Halbleiterkörper des Thyristors einen Hilfsemitter vorzusehen, der
mit den beiden Basisschichten und der zweiten Emitterschicht des Thyristors einen Hilfsthyristor bildet
Dieser Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und dem Hauptthyristor und kann daher zuerst
gezündet werden. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Basis zum Emitter des Hauptthyristors
und zündet diesen. Der Hilfsemitter ist dabei so dimensioniert, daß der Laststrom des Hilfsthyristors
eine von Anfang an linienförmige oder flächenhafte Zündung des Hauptthyristors bewirkt Ist der Hauptthyristor
gezündet, so fließt der Laststrom nur durch diesen und der Hilfsthyristor erlischt
Bei dem beschriebenen Thyristor ist jedoch die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des
Hauptthyristors und damit ein Schutz des Hauptthyristors nur dann gewährleistet, wenn der Zündstrom für
den Thyristor über die Zündelektrode fließt Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann
bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke angelegt» Spannung »über Kopf« gezündet werden.
Diese Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Nullkippsparmung überschreitenden Spannung an die
Laststrecke durch einen Lawinendurchbruch des sperrenden
pn-Übergangs erzielt Bei Zünden über Kopf ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyrisior zuerst
zündet Zündet der Hauptthyristor zuerst, so wird dieser, da der als Zündstrom wirkende im Steilanstieg
durch Ladungsträgermultiplikation fließende Strom relativ niedrig ist, lediglich punktförmig gezündet und
damit zerstört.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden,
daß in jedem Fall, also auch beim Zünden über Kopf, der Hilfsthyristor vor dem Haupthyristor
gezündet wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone breiter als 1 mm ist.
Ein Thyristor der eingangs erwähnten Gattung ist bereits im USA.-Patent 35 86 927 beschrieben worden.
Die bei diesem Thyristor verwendete Hilfsemitterzone ist aus Gründen der Klarheit in den Zeichnungen
übertrieben groß dargestellt. Daß die Breite der Hilfsemitterzone größer als 1 mm sein soll, läßt sich dem
genannten Patent jedoch an keiner Stelle explizit entnehmen.
Die Hilfsemitterzone kann vorzugsweise zwischen 2 und 10 mm breit sein. Die Elektrode der Emitterzone ist
zweckmäßigerweise auf einer von der Hilfsemitterzone abgekehrten Seite elektrisch mit der Basiszone verbunden.
Die Emitterzone kann mit Durchbrüchen versehen sein, durch die die Basiszone bis zur Elektrode der
Emitterzone hindurchgreift.
Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den F i g. 1 bis 3 und 7 näher
erläutert. Anhand der F i g. 4 bis 6 wird ein Halbleiterelement beschrieben, bei dem die Hilfsemitterzone nicht
breiter als 1 mm ist. Es zeigt
F i g. 1 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement (erstes Ausführungsbeispiel),
F i g. 2 den Potentialverlauf in der oberen Randschicht der p-Basiszone als Funktion des Radius,
Fig. 3 den Verlauf der Spannung am pn-Übergang
zwischen Emitter bzw. Hilfsemitter und angrenzender Basiszone,
Fig.4 den teilweisen Querschnitt durch ein Halbleiterelement,
das eine außerhalb der Erfindung
liegende Dimensionierung aufweist,
Fig.5 und 6 die den Fig.2 und 3 entsprechenden
Potential- und Spannungsverläufe für die Anordnung nach F i g. 4 und
F i g. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel.
In F i g. 1 ist ein Halbleiterkörper eines Thyristors mit
I bezeichnet Der Halbleiterkörper 1, der z. B. aus Silicium besteht, weist einen Emitter 2 und einen
Hilfsemitter 3 auf. Der Emitter 2 ist mit einer Elekirode
4 versehen. Der Hilfsemitter ist über eine Elektrode 5 an der von einer Steuerelektrode 6 abgewandten Seite mit
der Basis des Thyristors verbunden. Die Basis ist mit 7 bezeichnet Weitere Schichten des Thyristors tragen die
Bezugsziffern 8 und 9. An der Unterseite des Thyristors ist eine Elektrode IU vorgesehen, die z. B. aus Molybdän
besteht Der pn-übergang zwischen der Basis 7 und dem Emitter 2 bzw. dem Hilfsemitter 3 trägt die Bezugsziffer
11.
Die mit b\ bezeichnete Breite des Hilfsemitters
beträgt mehr als 1 mm. Um ganz sicher zu gehen, daß beim Anfegen einer die Nullkippspannung überschreitenden
Spannung an die Hauptstrecke des Thyristors der Hilfsthyristor zuerst zündet, empfiehlt es sich, die
Breite b\ zwischen 2 und 10 mm zu wählen. Damit ist bei Randkonzentrationen des Hilfsemitters 3 zwischen
10'8 und 1020Cm-3 und bei einer Dotierung der oberen
Randschicht der Basis 7 von 10" bis 1018 cm-3, also bei
einer allgemein üblichen Dotierung sichergestell , daß der Hilfsthyristor zuerst zündet.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß an die Elektroden 10 und 4 eine Spannung
angelegt wird, die die angegebene Polarität hat. Für die folgenden Erläuterungen wird angenommen, daß der
durch diese Spannung verursachte Strom von der Elektrode 10 zur Elektrode 4 homogen über die Flache
verteilt den pn-übergang zwischen den Schichten 8 und 7 passiert. Der Strom nimmt dabei wegen der
Dotierungsverteilung im Halbleiterkörper einen Weg, der dicht unter dem pn-Übergang 11 zur Elektrode 4
führt. Dicht unter dem pn-übergang 11 ist die Dotierung der Basiszone 7 am höchsten und daher der
Widerstand am geringsten.
Die Potentialverteilung L/fr^unter dem pn-übergang
II ist in dem Diagramm nach Fig.2 in Abhängigkeit
vom Radius aufgetragen. Das Potential ist hier auf das Potential U(o)der Basis 7 beim Radius Null normiert
Im Diagramm nach F i g. 3 ist der Spannungsverlauf am pn-übergang 11 unter dem Emitter 2 (rechts) und
der Spannungsverlauf am pn-Übergang 11 unter dem Hilfsemitter 3 (links) aufgetragen. Die Spannung am
linken Rand des Emitters 2 (Radius /·,) ergibt sich aus der Differenz der Potentiale beim Radius ra und η Diese
Spannung ist im Diagramm nach F i g. 3 mit U1
bezeichnet. Die am pn-übergang abfallende Sp?nnung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius rH) ergibt
sich aus der Potentialdifferenz zwischen dem äußeren Rand (Radius /■«„) und dem inneren Rand (Radius r«,).
Diese Spannung ist in F i g. 3 mit t/2 bezeichnet.
Die Spannung U 2 möge z. B. 0,45 V und die Spannung UX z. B. 0,35 V betragen. Dann wird der
Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor zünden, da mit der höheren Basis-Emitter-Spannung auch eine stärkere
Injektion von Elektronen aus dem η-Emitter in die Basis verbunden ist.
Nach dem Zünden des Hilfsthyristors fließt ein Laststrom über die Elektrode 5 in die Basiszone 7 und
weiter in die Emitterzone 2. Der Laststrom des Hilfsthyristors bildet einen starken Steuerstrom für den
Hauptthyristor, so daß dieser linienförmig oder flächenhaft zündet Dadurch wird eine Überlastung des
Hauptthyristors vermieden. Eine Überlastung des Hilfsthyristors kann nicht auftreten, da die Stromübernähme
auf den Hilfsthyristor sehr schnell erfolgt Der Hilfsthyristor erlischt nach Zünden des Hauptthyristors.
Beim Halbleiterelement nach Fig.4 sind gleiche
Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Breite des Hilfsemitters 3 ist hier mit b 2
ίο bezeichnet Sie liegt unterhalb des durch die Erfindung
angegebenen Bereichs.
Im Diagramm nach Fig.5 ist wieder das auf das
Potential der Elektrode 4 normierte Potential unter dem pn-Übergang 11 in Abhängigkeit vom Radius aufgetragen.
Im Diagramm nach Fig.6 ist der Spannungsverlauf
am pn-Übergang 11 unter dem Emitter (rechts) und unter dem Hilfsemitter 3 (links) dargestellt Die
Spannung am pn-Übergang am linken Rand des Emitters 2 (Radius r) ist mit i/3 und die Spannung am
linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius rw,) ist mit U4
bezeichnet. Die Spannung U3 möge hierbei einen Wert von z. B. 0,6 V und die Spannung i/4 dementsprechend
einen Wert von 0,15 V haben. Es ist einzusehen, daß bei
einer solchen Dimensionierung der Hauptthyristor zuerst zündet. Da der durch Ladungsträgermultiplikation
erzeugte, als Zündstrom wirkende Strom beim Zünden über Kopf relativ gering ist, zündet der
Hauptthyristor nur in einem punktförmigen Bereich und wird dadurch zerstört
In Fig. 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt
Auch hierbei sind gleiche Teile wie in den F i g. 1 und 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied
zum Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 besteht darin, daß der Hilfsemitter 3 mit der Basis 7 nicht direkt durch eine
Elektrode elektrisch verbunden ist. Hier ist vielmehr eine weitere Elektrode 13 vorgesehen, die mit der zum
Hilfsemitter 3 gehörenden Elektrode 12 über eine Leitung 14 verbunden ist. Weiterhin ist der Emitter 2
nicht am Rand,durch die Elektrode 4 mit der Basis 7 verbunden, sondern durch Durchbrüche 15, durch die
die Basiszone bis zur Elektrode 4 hindurchgreift. Hilfsund Hauptthyristor sind so dimensioniert, daß der
Hilfsthyristor bei Zünden über Kopf immer zuerst zündet.
Die erwähnten Durchbrüche können auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zusätzlich oder ausschließlich
zum Verbinden der Elektrode 4 mit der Basis vorgesehen sein. Bei größerem Durchmesser der
Halbleiterkörper weisen diese zur Verbesserung des dU/dt-Verhaltens durchweg Löcher im Emitter auf. Die
angegebene Dimensionierung des Hilfsemitters gemäß der Erfindung ist daher für sämtliche Durchmesser
brauchbar.
Die Zündbereitschaft des Hilfsthyristors wächst mit der Breite des Hilfsemitters. Bei Thyristoren, bei denen
der den Zündvorgang auslösende Strom homogen über die Fläche verteilt ist, genügt eine Mindestbreite des
Hilfsemitters. Bei inhomogener Verteilung des zur Zündung erforderlichen Stromes muß diese Breite
gegebenenfalls vergrößert werden.
Die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors ist auch beim Zünden mit einer
Spannung mit hoher Steilheit gewährleistet Der Verlauf der Emitter-Basisspannung ist qualitativ der gleiche wie
beim Zünden über Kopf, lediglich der den Zündvorgang auslösende Strom hat andere Ursachen. Er wird durch
den Verschiebunesstrom der Kaoazität des sperrenden
pn-Überganges gebildet.
Die Erfindung ist unabhängig davon, in welcher Technik die Thyristoren hergestellt werden, also z. B.
Planar-, Mesa- oder einer sonstigen Technik, anwendbar.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd
entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die erste, die Emitterzone, mit einer Elektrode
und die zweite, die Basiszone, mit einer Steuerelektrode versehen ist, und mit einer Hilfsemitterzone,
die zwischen Emitterzone und Steuerelektrode liegt und elektrisch mit der Basiszone verbunden ist, und
bei dem die Elektrode des Emitters an einer oder mehreren, von der Hilfsemitterzone entfernt liegenden
Stellen elektrisch mit der Basis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsemitterzone
(3) breiter als 1 mm ist
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfsemitterzonc (3) 2 bis 10 mm breit ist
3. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (4) der
Emitterzone (2) auf einer von der Hilfsemitterzone (3) abgekehrten Seite elektrisch mit der Basiszone
(7) verbunden ist.
4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (2) mit
Durchbrüchen (15) versehen ist, durch die die Basiszone (7) bis zur Elektrode (4) der Emitterzone
hindurchgreift.
30
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |