DE2164644B2 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents
Steuerbarer HalbleitergleichrichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit wenigstens vier Zonen abwechselnd
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens eine der an die äußeren hochdotierten
Emitterzonen angrenzenden, schwachdotierten Innenzonen sich durch die jeweilige Emitterzone hindurch bis
zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit einem auf dieser Oberfläche angeordneten, leitfähigen,
zur Kontaktierung dienenden Überzug verbunden ist vgLDE-PSll 56 510.
Beim Einsatz steuerbarer Halbleitergleichrichter, sogenannter Thyristoren, unter regulären oder überlagerten Spannungen jeweils höherer Frequenz als der
üblichen Netzfrequenz kommt zusammen mit anderen dynamischen Eigenschaften dieser Bauelemente auch
der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt besondere Bedeutung zu.
Wird ein Thyristor in Durchlaßrichtung mit einer ansteigenden Spannung beaufschlagt, so kann in
Abhängigkeit von Steilheit und Höhe derselben bereits vor Erreichen der sogenannten Kippspannung die
Durchzündung, d. h. das Umschalten vom nichtleitenden in den leitenden Zustand erfolgen. Diese beim Einsatz
unerwünschte Erscheinung wird bekanntlich damit erklärt daß die beiden inneren hochohmigen Schichten,
die den in Durchlaßrichtung sperrenden mittleren pn-Übergang bilden, mit ihrer Raumladungszone eine
spannungsabhängige Kapazität darstellen, die einen zusätzlich zum statischen Sperrstrom fließenden Verschiebungsstrom in einer zum Durchschalten des
Thyristors ausreichenden Höhe zur Folge haben kann. Ein solches unkontrolliertes Durchzünden bei steil
ansteigender Spannung in Durchlaßrichtung wäre
demnach durch entsprechende Reduzierung dieses
Verschiebungsstromes zu verhindern.
Diesbezüglich wurde bereits 1959 von R. W. A1 d r i c h und N. H ο 1 ο η y a k jr. eine Vierschichtenfolge mit sogenanntem »shorted-emitter« (Kurzschluß
emitter) vorgeschlagen (Journal of Applied Physics, Vol. 30, Nr. 11, November 1959, Seite 1819 bis 1824). Dabei
verläuft die auf der Emitter-Oberfläche vorgesehene metallische, zur Kontaktierung derselben dienende
ίο Elektrode über die Emitterfläche hinaus und ist mit der
angrenzenden p-Zone verbunden. Durch eine solche einen Kurzschluß des Emitters bildende Struktur wird
erreicht daß bei Anlegen einer ansteigenden Spannung in Durchlaßrichtung ein Teil der aus der p-Zone zum
Emitter abfließenden Majoritätsladungsträger direkt zum Kathodenanschluß abgesaugt wird und nicht mehr
zur Injektion von Minoritätsladungsträgern aus der Emitterzone in die angrenzende p-Zone und damit zu
einem unerwünschten Durchschalten beitragen kann.
Die Vergrößerung des zum Kurzschluß des Emitters vorgesehenen Flächenabschnitts der p-Zone erbringt
eine Zunahme der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt, ist jedoch aufgrund der durch
verschiedene Gesichtspunkte bedingten gegenseitigen
vorgesehenen Kontaktelektroden sowie der Forderung
nach optimaler Flächennutzung für hohe Strombelast
barkeif niciit beliebig möglich.
mit Kurzschlußemitter bekannt bei denen die an die eine Emiliterzone angrenzende innere p-Zone sich durch
eine Anzahl von getrennten Kanälen jeweils kleiner Querschnittsfläche vorzugsweise senkrecht durch die
Emitterzone bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt
)5 und an dieser direkt mit dem als Kontaktelektrode
dienenden metallischen Überzug verbunden ist (DE-PS 11 56 510). Die weiterhin als Kurzschlußemitter-Fläche
bezeichnete, durch Anzahl und jeweiligen Querschnitt dieser Kanäle bestimmte, gesamte Querschnittsfläche
vermindert jedoch die Fläche der Emitterzone und damit die beim Einsatz geforderte Strombelastbarkeit
und ist demzufolge durch diese Betriebskenngröße der Bauelemente beschränkt. Es hat sich außerdem gezeigt
daß die du/dt-Werte nicht in gleicher Weise zunehmen,
wenn die Kurzschlußemitter-Fläche vergrößert wird.
Als Erklärung dafür wird angenommen, daß die aus der p-Zone in Richtung der Emitterzone abfließenden
Majoritätsladungsträger nicht in gewünschter Weise durch die Kanäle der bekannten Struktur zur Kontakt
elektrode gelangen, weil jeder dieser Kanäle mit seinem
im Vergleich zur umgebenden Emitterfläche kleinen Querschnitt den Einzugsbereich zum Ansaugen der
Ladungsträger bestimmt. Weiterhin scheint mit zunehmender Kurzschlußemitter-Fläche auch ein Einfluß der
zwischen der Emitterzone und den Kanälen der p-Zone liegenden pn-Übergangsflächen zu bestehen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 39 982 ist ein Zweiweg-Halbleiterschalter bekannt, bei dem mit
einer Steuerelektrode beide Halbwellen eines an die
bo Hauptelektroden angelegten Laststromes gesteuert
werden können. Der Nachteil dieser Schalter, daß das Durchschalten in jeder der beiden Stromflußrichtungen
mit gleichem Steuerstrom und gleicher Steuerspannung Schwierigkeiten bereitet soll dadurch vermieden
<>5 werden, daß jede der Hauptelektroden der zwei
Thyristoren in räumlich und elektrisch entgegengesetzter Anordnung aufweisenden Struktur die zugeordnete
Emitterzone und angrenzende Basiszone unter Bildung
eines Kurzschlußemitters gemeinsam kontaktiert, daß die gemeinsame Steuerelektrode eine zusätzliche, in die
Basiszone eingelassene Steuerzone und die Basiszone gemeinsam kontakliert, und daß Steuerelektrode und
benachbarte Hauptelektrode, die einen größeren Teil einer kammartigen Hauptemitterzone berührt, in
gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Optimierung der Kenngröße du/dt ist mit diesen
Maßnahmen nicht erzielbar.
Weiter ist in der älteren deutschen Anmeldung
P20 56806J ein bistabiles Halbleiterbauelement mit
mindestens drei Zonenübergängen beschrieben. Es lag die Erkenntnis zugrunde, daß die Kurzschlußemitter-Bereiche
bei bekannten Bauformen von Thyristoren die von der Steuerelektrode ausgehende Ausbreitungsfront
des Durchzündens unterbrechen, umlenken oder aufspalten, und daß dadurch die kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit
di/dt in unerwünschter Weise verringert wird.
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine Struktur offenbart bei welcher die Kurzschlußemitter-Bereiche
als schmale Streifen ausgebildet und derart angeordnet sind, daß ihre Längsseiten im wesentlichen parallel zu
der durch die geometrische Form und Anordnung von Steuerelektrode und benachbarter Hauptelektrode
bestimmte Ausbreitungsrichtung des Durchzündens verlaufen. Maßnahmen zu einer wesentlichen Verbesserung
von du/dt sind jedoch der älteren Anmeldung nicht zu entnehmen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern mit Kurzschlußemitter
die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung charakteristischer Durchlaßeigenschaften
wesentlich zu verbessern.
I >ie Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Durchgriff
der Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitlähigen Überzug eine aus mehreren, zu einer
zus immenhängenden geometrischen Figur verbundener., stegförmigen Abschnitten bestehende Aussparung
in der Emitterzone vorgesehen ist, und daß das Verhältnis der am leitfähigen Überzug anliegenden
Fläche der Aussparung zur Fläche der Emitterzone 0,02 bis 0,05 beträgt.
Thyristoren mit einer solchen Struktur sind ohne Gefahr unerwünschter vorzeitiger Durchzündung bei
höheren Betriebstemperaturen und/oder bei Blockierspannungen höherer Steilheit anwendbar und zeigen
zusätzlich auf Grund der Geometrie des Kurzschlußemitters auch ein günstigeres Zündverhalten als
Ausführungsformen mit bekannter Kurzschlußemitter-Struktur.
Anhand der F i g. 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In Fig. 1 ist in Draufsicht
und in Fig.2 im Schnitt längs der Linie I-II gemäß
Fig. 1 eine Thyristorstruktur ohne Kontaktelektrode am Emitter dargestellt. Für gleiche Teile sind in beiden
Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
Ein beispielsweise pnp-Schichtenfolge aufweisender, üblicherweise scheibenförmiger Halbleiterkörper ist an
seiner einen p-Zone mit einer hochdotierten p+-leitenden Schicht und in seiner gegenüberliegenden äußeren
p-Zone 1 mit einer aus mehreren streifenförmigen Anteilen 2 bestehenden η+ -leitenden Emitterzone
versehen. Diese Anteile sind jeweils durch schmale stegförmige Abschnitte 4 der p-Zone 1 voneinander
getrennt die bis zur Oberfläche der Anteile 2 verlaufen und zusammen mit diesen mit einer nicht dargestellten,
die Kathode bildenden Kontaktelektrode kontaktiert sind. Die Abschnitte 4 der p-Zone liegen in gleicher
Höhi wie die Emitterzone und sind kammförmig angeordnet und zu einer zusammenhängenden Fläche
entsprechend verbunden, so daß der Durchgriff der p-Zone durch die Emitterzone zu dem auf dieser
vorgesehenen leitenden Oberzug in Form einer über die
ίο Fläche der Emitterzone ausgedehnten geometrischen
Figur gegeben ist Die Breite der Abschnitte 4 ist einerseits durch herstellungtechnische Gesichtspunkte,
beispielsweise bei der Fertigung der Anteile 2 mittels Diffusion durch Eindringtiefe und Diffusionsprofil, und
andererseits durch die Forderung nach möglichst geringer Gesamtfläche der durch die Emitterzone
durchgreifenden Abschnitte 4 im Vergleich zur Emitterfläche bestimmt Der gegenseitige Abstand der Abschnitte
4 richtet sich nach der gewünschten Ausbildung des Kurzschlußemitters und dessen Flächenverhältnis
zur Emitterfläche (0,02 bis 0,05).
Beispielsweise wurden bei einer Fläche der Emitterzone mit 20,5 mm Durchmesser und mit einem
kammförmigen Kurzschlußemitter, dessen Streifenbreite 40 pm und dessen Streifenabstand Umm betrug,
woraus sich ein Flächenverhältnis zur Emitterfläche von 0,032 ergab, du/dt- Werte von 1100 V^sec. und darüber
erzielt, jeweils entsprechend 67% des Höchstwertes einer nach einer e-Funktion ansteigenden Spannung.
Vergleichsweise ergab eine Anordnung mit getrennten punktförmigen Kanälen der p-Zone durch die Emitterzone
und mit einem Flächenverhältnis von 0,035 du/dt-Werte von nur etwa 700 V/^sec. Dem Flächenverhältnis
von 0,02 bis 0,05 entspricht ein gegenseitiger
j5 Abstand der stegförmigen Abschnitte 4 von etwa 3 mm.
Anstatt kammförmig gemäß der Darstellung in F i g. 1
kann der Kurzschlußemitter auch mäander-, raster- oder sternförmig ausgebildet sein oder die Form eines
Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen aufweisen.
Zur Herstellung steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem derartigen Kurzschlußemitter wird die
gewünschte Form des Kurzschlußemitters beispielsweise mit Hilfe einer sogenannten Fotomaske auf eine
vorbereitete, vorzugsweise oxidierte und fotolackbeschichtete Scheibe aus Halbleitermaterial und mit
entsprechender Schichtenfolge aufkopiert. In einer anschließenden Strukturätzung werden die zur Anordnung
von Emitterzonen-Anteilen 2 (zwischen den Abschnitten 4) vorgesehenen Flächenbereiche der
Oxidschicht bis zur p-Zone abgetragen. Die noch verbliebenen streifenförmigen Oxidschichtteile bilden
die Maskierung für den nachfolgenden Diffusionsprozeß und sind so bemessen, daß die jeweils zwischenliegend
eindiffundierten hochdotierten Emitter-Teil-Zonen aufgrund von Eindringtiefe und Diffusionsprofil
durch Abschnitte 4 des Kurzschlußemitters mit gewünschter Ausdehnung voneinander getrennt sind.
Danach werden die Oxidschichtstreifen entfernt, und schließlich wird die plane Oberfläche der Halbleiter-
w) scheibe, an welcher im Wechsel Abschnitte der Emitter-
und der angrenzenden Basiszone nebeneinander angeordnet sind, mit einem als Kontaktelektrode dienenden
'"iitfähigen Überzug abgedeckt und die Emitterzone kurzgeschlossen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens eine der an die äußeren hochdotierten Emitterzonen angrenzenden, schwachdotierten Innenzonen sich durch die
jeweilige Emitterzone hindurch bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit einem auf dieser
Oberfläche angeordneten, leitfähigen, zur Kontaktierung dienenden Oberzug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchgriff
der Innenzone (1) durch die Emitterzone (2) bis zum leitfähigen Oberzug eine aus mehreren, zu einer
zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegförmigen Abschnitten (4) bestehende
Aussparung in der Emitterzone vorgesehen ist, und daß das Verhältnis der am leitfähigen Oberzug
anliegenden Fläche der Aussparung zur Fläche der Emitterzone 0,02 bis 0,05 beträgt
2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum
Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung kammförmig, rasterförmig oder mäanderformig
ausgebildet ist
3. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zum
Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung sternförmig ausgebildet ist oder die Form eines
Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen aufweist
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