DE2140993C3

DE2140993C3 - Thyristor

Info

Publication number: DE2140993C3
Application number: DE2140993A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. Platzoeder; Alfred 8551 Pretzfeld Porst; Peter Dr. Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1971-08-16
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2140993A1; DE2346205C3; DE2346205A1; DE2346205B2; DE2140993B2

Description

Die Erfindung bezieht sich s.jf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindest» is vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und mit einem Hilfsemitter. der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, und mit einer unter der Basis liegenden weiteren Basiszone.

Ein solcher Thyristor ist z. B. in der DE-OS 16 39 0!9 beschrieben worden. Der Hilfsemitter bildet zusammen mit den übrigen Zonen des Thyristors einen Hilfsthyristor. Dieser Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und dem Hauplthyristor und wird daher bei Einspeisen eines Zündstromes in die Zündelektrode zuerst gezündet. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Basis zum Emitter des Hauptthyristors und zündet diesen. Damit wird erreicht, daß der Thyristor mit niedrigen Steuerströmen gezündet werden kann.

Bei dem beschriebenen Thyristor ist die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyrislors und damit ein Schutz des Hauptthyristors im allgemeinen jedoch nur dann gewährleistet, wenn der den Thyristor zündende Strom über die Zündelektrode eingespeist wird. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann vielmehr bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke angelegte Spannung »über Kopf« gezündet werden. Diese Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Nullkippspannung überschreitenden Spannung an die Laststrecke durch einen Lawinendurchbruch des sperrenden pn-Überganges erzielt. Bei Zünden über Kopf ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet. Zündet der Hauptthyristor zuerst, so fließt der gesamte Lastslrom anfänglich in einem punktförmigen Bereich, wodurch der Thyristor spezifisch hoch belastet wird. Es kann daher in diesem Bereich zu Überhitzungen und damit zur Zerstörung des Thyristors kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der erwähnten Art so weiterzubilden, daß auch beim Zünden über Kopf der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor gezündet wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Basiszone einen unterhalb der Zündelektrode

ίο liegenden Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren Basiszone ist, daß der Bereich nicht über den dem Emitter zugewandten Rand des Hilfsemitters hinausragt, und daß die Emitterelektrode el·, ktrisch mit der Basiszone verbunden ist.

Im US-Patent 34 28 870 ist zwar bereits ein Thyristor beschrieben worden, dessen weitere Basiszone einen Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen Basiszone ist. Dieser Bereich liegt jedoch nicht unterhalb der Zündelektrode. Einen Hilfsemitter weist dieser Thyristor nicht auf. Zur Lösung des dem Anmeldungsgegenstand zugrunde liegenden Problems trägt diese Vorveröffentlichung daher nichts bei.

Zweckmäßigerweise ist der spezifische Widerstand des genannten Bereiches 10 bis 30% niedriger als der der übrigen weiteren Basiszone. Der Hilfseinitter kann vorzugsweise eine- Breite bis zu 10 mm aufweisen. Der Bereich hat zweckmäßigerweise einen Außendurchmesser.derbis zu 16 mm beträgt.

Ein Ausführungsbeibpiel der Erfindung wird in Verbindung mit den F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Thyristors,

Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch den Halbleiterkörper nach l· ι g. 1. bei dem charakteristische Strombahnen eingezeichnet sind,

Fig. 3 den Potentialveriauf in der oberen Randschicht der p-Basiszone als Funktion des Radius und

■to F i g. 4 den Verlauf der am pn-übergang abfallenden Spannung am Emitter und am Hilfsemitter.

In F i g. 1 ist ein Halbleiterkörper eines Thyristors mit 1 bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1. der z.B. aus Silicium besteht, weist einen Emitter 2 und einen

4'» Hilfsemitter 3 auf. Der Emitter 2 ist mit einer Elektrode 4 versehen. Der Hilfsemitter 3 ist bei einer Elektrode 5 an der von einer Zündelektrode 6 abgewandten Seite mit der Basis des Thyristors verbunden. Eine Basiszone ist mit 7 bezeichnet. F:ne weitere Basiszone und ein

■so weiterer Emitter tragen die Bezugsziffern 8 bzw. 9. An der Unterseite des Thyristors ist eine Elektrode 10 vorgesehen, die z. B. aus Molybdän besteht. Der pn-Üuergang zwischen der Basiszone 7 und dem Emitter 2 bzw. dem Hilfsemitter 3 trägt die Bezugsziffer

Vt 11. Die weitere Basiszone 8 weist einen Bereich 12 auf. der einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die übrige Basis hat.

Die mit b bezeichnete Breite des Hilfsemitters beträgt z. B. I mm. Sie kann aber auch bis 10 mm betragen. Die

W) Breite des Bereiches geringeren spezifischen Wider-Standes 12 ist mit a bezeichnet und kann bis 16 mm betragen. Der spezifische Widerstand im Bereich 12 kann 10 bis 30% unterhalb des spezifischen Widerslandes der weiteren Basiszone 8 liegen. Liegt der spezifische Widerstand z. B, 25% unter dem spezifischen Widerstand der übrigen Basiszone 8, so ergibt sich an dieser Stelle eine Nullkippspannung, die etwa 10% unterhalb der Nullkippspannung im übrigen Bereich

Hegt. Bei einer üblichen Dotierung der weiteren Basisschicht 8 von 10^H bis 10"¹Cm-¹, einer Dotierun_b der Basisschicht 7 von 10^lb bis 10^l8em-³ und einer Konzentration der Dotierung im Emitter 2 und Hilfsemitter 3 zwischen 10¹⁸ und 10^M cm~³ ist sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet.

Die Wirkungsweise wird anhand der Fi g. 2 erläutert. In dieser Figur sind gleiche Teile wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wird an die Elektroden 10 und 4 eine Spannung mit der angegebenen Polarität angelegt, die größer ist als die Nullkippspannung des Thyristors im Bereich 12, so entsteht in diesem Bereich durch Ladungsträgermultiplikation ein Lawinendurchbruch. Der in diesem Bereich fließende Strom nimmt den durch die ausgezogenen Pfeile angedeuteten Weg entlang des pn-Überganges 11 zur Elektrode 4. Dieser Strom fließt dicht unterhalb des pn-Überganges 11, da hier die Dotierung der Basisschicht 7 am höchsten und der spezifische Widerstand am geringsten ist Unterhalb des pn-Oberganges 11 stellt sich ein Potentialverlauf U (r) in Abhängigkeit des Radius ein, der in F i g. 3 dargestellt ist Er ist auf das Potential U(o) unter der Zündelektrode 6 normiert. Die entsprechende Kurve ist ausgezogen gezeichnet.

Der Verlauf der am pn-übergang 11 abfallenden Spannung in Abhängigkeit vom Radius ist in Fig.4 aufgetragen. Diese Spannung ist ebenfalls auf das Potential L/fa) unter der Zündelektrode 6 montiert. Die Spannung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius r//,) ist mit (/3 und die Spannung am linken Rand des Emitters 2 (Radius r,) ist mit L/l bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die Spannung L/3 größer als die Spannung U1 ist. Die Spannung L/3 möge zum Beispiel einen Wert von 0,45 Volt und die Spannung UX einen Wert von 0,35 Volt haben. Da die für das Zünden des Thyristors erforderliche Spannung am pn-übergang z, B. bei 0,45 V liegen kann, wird deutlich, daß der Hilfsthyristor zündet, wahrend die Spannung am pn-übergang 11 unter dem Emitter 2 unterhalb derjenigen Spannung bleibt, bei dem der Hauptthyristor zünden kann.

Nach dem Zünden des Hilfsthyristors fließt sein 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

ίο Hauptthyristor, so daß dieser linienförmig oder flächenhaft zündet. Dadurch wird eine Überlastung des Hauptthyristors vermieden. Eine Überlastung des Hilfsthyristors kann nicht auftreten, da die Stromübernahme auf den Hilfsthyristor sehr schnell erfolgt Der

ίο Hilfsthyristor erlischt nach Zünden des Hauptthyristors. Gibt man dem Bereich 12 einen größeren Radius, zum Beispiel den Radius r2, so wird der Spannungsdurchbruch innerhalb eines sehr viel größeren Gebietes erfolgen. Dies ist durch weitere Stromfäden angedeutet, deren Weg in die Basiszone 7 gestrichelt dargestellt ist. Jetzt ergibt sich z. B. eine Potentialvertei!' >g unter dem pn-übergang ί ί, die in F i g. 3 gestrichelt gezeichnet ist. Der Spannungsverlauf am pn-übergang 11 ist für den Emitter 2 und den Hilfsemitter 3 in Fig.4 ebenfalls gestrichelt aufgetragen. Die Spannung am linken Rand des Emitterr. 2 (Radius r) ist mit i/2 und die Spannung am linken Rand des Hilfsemitters 3 (Radius γη) ist mit L/4 bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß in diesem Fall der Hauptthyristor zuerst zündet, während die Spannung

m am pn-Übergang des Hilfsthyristors unter derjenigen Spannung bleibt, bei der der Hilfsthyristor zünden kann. Da jetzt der Hauptthyristor nur punktförmig zündet, kann an dieser Stelle eine thermische Überlastung des Hauptthyristors eintreten und dieser dadurch zerstört werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und mit einem Hilfsemitter, der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, und mit einer unter der Basis liegenden weiteren Basiszone, dadurch gekennzeichnet, daß die wettere Basiszone (8) einen unterhalb der Zündelektrode (6) liegenden Bereich (12) aufweist, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren Basiszone (8) ist, daß der Bereich (12) nicht über den dem Emitter (2) zugewandten Rand des Hilfsemitters (3) hinausragt, und daß die Emitterelektrode (4) elektrisch mit der Basiszone (7) verbunden isL

2. Thyristor rieh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Bereiches (12) 10 bis 30% niedriger ist als der der übrigen weiteren Basiszone (8).

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsemitter (3) eine Breite bis zu 10 mm hat.

4. Thyristor nach Anspruch 1, uadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (12) einen Durchmesser hat, der bis zu 16 mm beträgt.