DE2241217B2

DE2241217B2 - Thyristor mit erhoehter ein- und durchschaltgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2241217B2
Application number: DE19722241217
Authority: DE
Inventors: H Dr.rer.nat 6078 Neu-Isenburg; Roy K Dr.rer.nat 6053 Oberthausen Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-08-22
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1977-11-10
Also published as: DE2241217A1; DE2241217C3

Description

Jj Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit hoher Leitfähigkeit in der anöden- und kathodenseitigen Emitterzone, mit geringer Leitfähigkeit in den Basiszonen, und mit starkdotierten fingerförmigen Bereichen der Steuerbasiszone.

Es ist eine derartige Zonenstruktur durch DT-OS 20 50 289 bekannt, wobei es sich um eine Halbleitervorrichtung mit ebenfalls einer Zonenstruktur eines Thyristors handelt. Die Gateelektroden (Steuerelektrode) des Thyristors sind auf stark dotierten Bereichen aufgebracht, welche in für die z. B. fingerförmigen Gateelektroden frei gelassenen Teilen einer ersten Schicht (kathodenseitige Emitterzone) gleichmäßig, wie z. B. fingerförmig, verteilt sind und isoliert in Leitungskanälen einer zusammenhängenden Kathodenelektrode liegen. In diesen frei gelassenen Teilen liegt die Hauptfläche der Halbleiterscheibe des Thyristors, an welche Hauptfläche die stark dotierten Bereiche angrenzen, nicht in der pn-Übergangsfläche zwischen Steuerbasiszone und kathodenseitiger Emitterzone. Eine solche Zonenstruktur mit einem System gut leitender Bahnen innerhalb der Steuerbasiszone '.at auch zum Abschalten großflächiger Thyristoren mittels eines Steuerstromes geeignet.

Zur Erzielung eines großen Emitterwirkungsgrades haben, insbesondere bei einem Leistungsthyristor, die anöden- und kathodenseitigen Emitterzonen eine um Größenordnungen höhere Leitfähigkeit als die Basiszonen. Für den Steuerstrom besteht sonach in der Steuerbasiszone ein großer Querwiderstand, so daß beim Zünden des Thyristors nur ein schmales, unmittelbar zwischen dem Steuerkontakt und der kathodenseitigen Emitterzone liegendes Gebiet zuerst stromleitend wird.

Es wurden bereits verschiedene Zonenstrukturen für Thyristoren geschaffen, um das vorerwähnte, beim Zünden zuerst stromleitend werdende Gebiet anteilig in bezug auf den stromführenden Querschnitt des voll durchgeschalteten Thyristors zu vergrößern und damit die Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Derartige Strukturen sind unter den Bezeichnungen »Querfeldemitter«, »Amplifying Gate«, »Grabengate« und »Fingerstruktur« oder ähnlich bekanntgeworden (vgl. z. B. K. H e u m a η η und A. C. S t u m ρ e, »Thyristoren«, 1970, S. 33 ff.).

Die Erfindung zeigt eine demgegenüber neue Konzeption einer Zonenstruktur für schnell einschaltende Thyristoren auf.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mittels Epitaxie-Verfahrens herstellbaren Thyristor erhöhter Ein- und Durchschaltgeschwindigkeit zu schaffen, bei dem selbst weit von der Steuerelektrode entfernt liegende Gebiete beim Zünden sofort stromleitend werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb der Steuerbasiszone, angrenzend an eine Fläche, in welcher mindestens ein pn-Übergang dieser Zone zu einer benachbarten Zone liegt, eine im Vergleich zu derselben Zone hochdotierte, zusammenhängende Zone gleichen Leitungstyps in Gestalt von Steuerstrombahnen angeordnet ist, die von einem Steuerkontakt ausgehen und sich fingerförmig oder netzförmig in der gesamten Steuerbasiszone erstrecken.

Ein solcher Thyristor ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch von einem zentral angeordneten Steuerkontakt ausgehende, radialsymmetrisch sich erstreckende fingerförmige Steuerstrombahnen gekennzeichnet, die eine um Größenordnungen höhere

Dotierungskonzentration als die Steuerbasiszone aufweisen und die zumindest an ihren Enden ankerförmig verästelt sind.

Weiteren Ausgestaltungen der Erfindung entsprechend sind diese Steuerstrombahnen in den Abmessun- ^r> gen und in der Dotierungskonzentration derart bemessen, daß in den Steuerstrombahnen der Spannungsabfall des Steuerstromes bei Zimmertemperatur 20 bis 50 mV beträgt und daß bei vorgegebener Flächerigröße ,„

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der fingerförmigen Steuerstrombahnen dh Breite b dieser Bahnen entsprechend der mit zunehmender Entfernung r vom Steuerkontakt abnehmenden Strombelegung der Bahnen abnimmt.

Um den Zündvorgang bei derartigen Thyristoren zu beschleunigen, können die Steuerstrombahnen noch in verschiedener Weise ausgestaltet sein. So können die von einem Steuerkontakt ausgehenden Steuerstrombahnen durch hierzu Trajektorien bildende Strombahnen und speziell von einem zentralen Steuerkontakt radialsymmetrisch ausgehende fingerförmige Steuerstrombahnen durch in bezug auf diesen Steuerkoniakt konzentrische, ringförmige Strombahnen miteinander zusammenhängen oder verbunden sein.

Um den beschleunigten Zündvorgang in dem davon j< > erfaßten Bereich eines Thyristors überall unter Kontrolle zu haben und überdies auch noch mit einem optimal geringen Zündstrom auskommen zu können, sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließlich zumindest die an die Fläche, in welcher der j-> pn-Übergang der Steuerbasiszone zur kathodenseitigen Emitterzone liegt, angrenzenden Steuerstrombahnen nicht oder nur teilweise von dieser Emitterzone bedeckt, so daß die von der Emitterzone nicht bedeckten Bereiche des pn-Überganges auch breiter sein können als die Steuerstrombahnen und dieselben einschließen. Um ferner auch eine längs der Steuerstrombahnen gleichmäßig ausgehende Zündausbreitung zu erzielen, ist die Breite der von der Emitterzone nicht bedeckten Bereiche der pn-Übe:rgangsfläche der Steuerbasiszone zur kathodenseitigen Emitterzone oder zur zweiten Basiszone so bemessen, daß sie mit zunehmendem Abstand vom Steuerkontakt abnimmt.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt die nachstehend beschrieben sind.

Es zeigt

F i g. 1 die Zonenstruktur eines Thyristors mit zentralem Steuerkontakt, von dem radialsymmetrisch sich erstreckende fingerförmige Steuerstrombahnen ausgehen, in einem durch zwei Steuerstrombahnen gehenden Querschnitt A-A',

F i g. 2 die Fingerstruktur der Steuerstrombahnen eines Thyristors nach F i g. t in einem durch die Steuerstrombahnen gehenden Längsschnitt,

F i g. 3 die Zonenstruktur eines Thyristors mit wi zentralem Steuerkontakt, von dem radialsymmetrisch sich erstreckende fingerförmige Steuerstrombahnen ausgehen, die mit kreisringförmigen, konzentrischen Steuerstrombahnen vernetzt sind, in einem durch zwei fingerförmige Steuerstrombahnen und eine ringförmige tn Steuerstrombahn gehenden exzentrischen Querschnitt B-B',

F i er. 4 die Struktur der vernetzten Steuerstrombahnen eines Thyristors nach Fig.3 in einem durch die Steuerstrombahnen gehenden Längsschnitt.

In diesen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in den F i g. 1 und 3 dargestellten Thyristoren haben beide eine p+npn+-Zonensfruktur, bei der die äußere ρ+-Zone 1 die anodenseitige Emitterzone, die äußere η+ -Zone 4 die kathodenseitige Emitterzone, die innere p-Zone 3 die Steuerbasiszone und die innere n-Zone 2 die zweite Basiszone darstellen. Auf den äußeren Zonen 1 und 4 sind Hauptelektroden 1' und 4' aufgebracht. Die Hauptelektrode 1' (Anode) ist gan?_flächig, die Hauptelektrode 4' (Kathode) und die äußere Zone 4 haben Ki eisringform mit einer zentralen öffnung, innerhalb der, von der äußeren Zone 4 und der Kathode 4' isoliert, eine auf der Steuerbasiszone 3 aufgebrachte Steuerelektrode 5' angeordnet ist. In der Steuerbasiszone 3 sind angrenzend an die Fläche des pn-Überganges von der Steuerbasiszone zur n-Emitterzone 4 vier vom Steuerkontakt 5' ausgehende, sich nahezu bis zum Rand der Thyristorscheibe erstreckende, fingerförmige p-leitende Steuerstrombahnen 5 angeordnet, die höher dotiert sind als die Steuerbasiszone 3. Bei dem in den F i g. 3 und 4 dargestellten Thyristor sind diese Strombahnen mit drei ringförmigen, konzentrisch zur Steuerelektrode 5' angeordneten Strombahnen 5" vernetzt. Hier bilden zwei Scharen von Strombahnen 5 und 5" ein in sich verbundenes zusammenhängendes Steuerstrombahnnetz. Die Strombahnen 5 können in der Dicke etwa ein Drittel der Steuerbasiszone 3 einnehmen und eine homogene Akzeptorkonzentration von beispielsweise 10^l9cm~³ aufweisen, während die der Basiszone 3 die Akzeptorkonzentration nur 10¹⁶Cm-³ beträgt. Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Thyristor sind hingegen nur fingerförmige Steuerbahnen 5 in der Steuerbasiszone angrenzend an die Fläche des pn-Überganges zur Emitterzone 4 angeordnet. Diese sind jedoch an ihren Enden r'ankerförmig ausgeformt. Die kreisringförmige Emitterzone 4 des in den Fig.3 und 4 dargestellten Thyristors hat Lücken von der gleichen Gestalt wie die Strombahnen 5 und 5", durch die hindurch diese Strombahnen, da die Lücken im allgemeinen erheblich breiter gewählt sind als die Strombahnen, voll sichtbar sind (vgl. F i g. 4).

Die Steuerstrombahnen 5 eines Thyristors nach F i g. 1 u. 2 können bei zwischen der Steuerelektrode 5' und der Kathode 4' (Steuerstrecke) angelegter Steuerspannung Löcher in die Steuerbasiszone 3 injizieren, was eine Erhöhung der Konzentration an Elektronen in dieser Zone 3 zur Folge hat. Ferner ermöglichen sie es, einen von der Steuerelektrode 5' ausgehenden Steuerstrom bis in das Randgebiet der Steuerbasiszone zu führen, so daß auch im Randgebiet eine Injektion mit der vorbeschriebenen Wirkung erzielt wird.

Die Stärke der Injektion an einer beliebigen Stelle der fingerförmigen Steuerstrombahnen 5 eines Thyristors iiach den F i g. 1 und 2 ergibt sich aus der Größe der an dem Übergang p + p verfügbaren vorwärtsgerichteten Spannung. Durch die Injektion am stärksten erhöht wird die Konzentration an Ladungsträgern in den zwischen Steuerstrombahn 5 und äußerer Zone 4 liegenden Gebieten der Steuerbasiszone 3, am schwächsten dagegen etwa im Mittelteil einer fingerförmigen Strombahn 5 in Richtung zur inneren Basiszone 2. Überschreitet die Breite öder Steuerstrombahnen einen Breitengrenzwert bo, der von der Dotierungskonzentration in der Steuerbasiszone und der geometrischen

Bemessung abhängt, so nimmt bei gegebener Spannung praktisch nur noch der unwirksame Steuerstrom zu, nicht mehr aber der Anteil, der zur Zündung beiträgt. Durch die Breite und die Anzahl der Steuerstrombahnen 5 kann daher die Größe des Zündstromes eingestellt werden. Praktisch ist die Breite, verglichen mit dem Durchmesser der Scheibe, immer sehr klein zu wählen.

Bei der Bemessung der Steuerstrombahnen ist außerdem zu beachten, daß die Injektion von Löchern aus den im Randgebiet der Steuerbasiszone 3 liegenden Strombahnteilen hinreichend stark ist. Die Injektionsstärke soll daher längs der Strombahnen mit zunehmendem Abstand r vom Steuerkontakt nicht erheblich abfallen. Zweckmäßig dafür ist es, den Spannungsabfall der Steuerspannung längs der Strombahnen in der

Größenordnung der Temperaturspannung -n- zu halten,

d. h. etwa zwischen 20 und 50 mV bei Zimmertemperatur (Ic= Boltzmannkonstante, T= absolute Temperatur, q= elektrische Elementarladung).

Bei vorgegebener Fläche eines fingerförmigen Teils der Strombahnstruktur kann der vorerwähnte Spannungsabfall dadurch verkleinert werden, daß eine sich mit zunehmendem Abstand r vom Steuerkontakt, entsprechend der dabei geringer werdenden Strombelegung, verjüngende Bahnbreite b vorgesehen wird.

Dadurch, daß in den F i g. 3 und 4 die Steuerstrombahnen 5 in den Lücken der Emitterzone 4 angeordnet sind, werden die beim Anlegen einer Steuerspannung zwischen Steuerkontakt 5' und n+-Emitter 4 von einer p⁺-dotierten Steuerstrombahn 5 injizierten Ladungsträger gezwungen, in seitlicher Richtung zum η+-Emitter zu fließen. Es trägt dadurch ein im Vergleich zu einem Thyristor mit ununterbrochener n + -Emitterzone größerer Anteil des Steuerstromes zum Zünden des Thyristors bei, und der beim Zünden unwirksame Anteil wird erheblich reduziert.

Ferner kann dadurch über der ganzen Länge der Steuerstrombahnen die Zündausbreitung gleichmäßig gemacht werden. Da sich längs der ρ+ -hochdotierten

Steuerstrombahnen 5 ein Spannungsabfall durch den Steuerstrom nicht ganz vermeiden läßt, wird bei einer nur geringfügigen Übersteuerung die Zündausbreitung selbst bei im übrigen homogenen Verhältnissen etwas mehr von den näher am Steuerkontakt 5' liegender Teilen der Steuerstrombahnen 5 ausgehen. Das kann aber vermieden werden, indem die Lücken in der kathodenseitigen η+-Emitterzone 4 mit einer mil zunehmendem Abstand r vom Steuerkontakt 5' abnehmenden Breite versehen werden. Hierdurch nimmt der Abstand zwischen den Steuerstrombahnen 5 und η+ -Emitterzone 4 mit zunehmender Entfernung ι ab, und folglich nimmt bei gegebener Steuerspannung der Steuerstrom in diesem Verhältnis zu. Da andererseits das Steuerpotential in den Steuerstrombahnen mil zunehmender Entfernung r von dem Steuerkontakl infolge des Spannungsabfalls bei fließendem Steuerstrom abnimmt, kann die Breite der Lücken in der η+ -Emitterzone längs der Steuerstrombahnen se bemessen werden, daß der von den verschiedener Teilen derselben ausgehende Steuerstrom überal konstant ist oder auch so verteilt wird, daß eine gleichmäßige Zündausbreitung erfolgt.

Bei dem in den F i g. 3 und 4 dargestellten Thyristor welcher in der Steuerbasiszone 3 angrenzend an der pn-Übergang zwischen dieser Basiszone und dei n+-Emitterzone 4 ein radialsymmetrisches Steuer strombahnnetz 5, 5", wie oben beschrieben, aufweist wird mit Hilfe dieses Steuerstrombahnnetzes die gesamte für die Stromführung verfügbare Längsschnitt fläche des Thyristors von dem Zündvorgang optima erfaßt, und der Zündvorgang wird dadurch optima beschleunigt. Bei diesem Thyristor ergibt sich bei an dei Steuerstrecke (5'-4') angelegter Steuerspannung ein« von den Steuerstrombahnen 5 ausgehende stark( Injektion von Löchern unmittelbar in der η+ -Zone 4. Be einem nach F i g. 4 ausgebildeten Steuerstrombahnnet; gilt hinsichtlich der Breite der Strombahnstreifen di( oben dargelegten Bemessungsregel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I.Thyristor mit hoher Leitfähigkeit in . anoden- und kathodenseiligen Emitterzone, mit geringer ~> Leitfähigkeit in den Basiszonen, und mit stark dotierten fingerförmigen Bereichen der Steuerbasiszone, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Steuerbasiszone (3), angrenzend an eine Fläche, in welcher mindestens ein pn-Übergang i<> dieser Zone zu einer benachbarten Zone (2, 4) liegt, eine im Vergleich zu derselben Zone (3) hochdotierte, zusammenhängende Zone (5) gleichen Leitungstyps in Gestalt von Steuersirombahnen rngeordnet ist, die von einem Steuerkontakt (5') ausgehen und ι ϊ sich fingerförmig oder netzförmig in der gesamten Steuerbasiszone erstrecken.
2. Thyristor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch von einem zentral angeordneten Steuerkontakt (5') ausgehende, radialsymmetrisch sich erstrekkende fingerförmige Steuerstrombahnen (5), die eine um Größenordnungen höhere Dotierungskonzentration als die Steuerbasiszone (3) aufweisen und die zumindest an ihren Enden (r^r) ankerförmig verästelt sind. 2>
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Steuerkontakt (5') ausgehenden Steuerstrombahnen (5) durch hierzu Trajektorien bildende Strombahnen (5") miteinander zusammenhängen und verbunden sind.
4. Thyristor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch von einem zentral angeordneten Steuerkontakt (5') radialsymmetrisch ausgehende fingerförmige Steuerstrombahnen (5), welche durch in bezug auf den Steuerkontakt konzentrische, ringförmige Steuerstrombahnen (5") miteinander zusammenhängen und verbunden sind.
5. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Steuerstrombahnen (5) der Spannungsabfall des Steuerstromes bei Zimmer- 4» temperatur 20 bis 50 mV beträgt.
6. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Flächengröße der fingerförmigen Steuerstrombahnen (5) djre, Breite (b) dieser Bahnen entsprechend der mit -n zunehmender Entfernung (r)vom Steuerkontakt (5') abnehmenden Strombelegung der Bahnen abnimmt.
7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die an eine Fläche, in welcher der pn-Übergang der Steuerbasis- >u zone (3) zur kathodenseitigen Emitterzone (4) liegt, angrenzenden Steuerstrombalhnen (5) nicht oder nur teilweise von dieser Emitterzone bedeckt sind, und daß die von der Emitterzone nicht bedeckten Bereiche des pn-Überganges auch breiter sein >^r> können als die Steuerstrombahnen und dieselben einschließen.
8. Thyristor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b')der von der Emitterzone (4, 1) nicht bedeckten Bereiche der pn-Übergangs- w> fläche der Steuerbasiszone (3) zur kathodenseitigen Emitterzone (4) oder zur zweiten Basiszone (2) mit zunehmendem Abstand (x) vom Steuerkontakt (5') abnimmt.

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