DE2300754A1 - Thyristor - Google Patents

Thyristor

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DE2300754A1 DE19732300754 DE2300754A DE2300754A1 DE 2300754 A1 DE2300754 A1 DE 2300754A1 DE 19732300754 DE19732300754 DE 19732300754 DE 2300754 A DE2300754 A DE 2300754A DE 2300754 A1 DE2300754 A1 DE 2300754A1
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Description

SIEMENS AKTIENSESELLSCHAFT München 2, -8. JAN. 1973
Berlin und München Witteisbacherplatz 2
VPA 73/1006
'.Thyristor
Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit einer mit einer ersten Emitterelektrode versehenen ersten Emitterzone, einer ersten mit einer Zündelektrode versehenen Basiszone und einem zwischen diesen Zonen liegenden ersten pn-übergang, einer unter der ersten Basiszone .liegenden zweiten Basiszone, mit einer im Halbleiterkörper angeordneten Jreischiehtstruktur mit einer auf aev ersten Basiszone angeordneten weiteren Elektrode und mit einem unter der v/eiteren Elektrode der zweiten Basiszone liegenden Bereich mit einer gegenüber der Durchbruchspannung außerhalb des Bereiches niedrigeren Durchbruchspannung.
Ein solcher Thyristor ist bereits in einer älteren Anmeldung vorgeschlagen worden. Die Dreischi'chtstruktur in diesem Thyristor hat auf Grund eines niedrigeren spezifischen Widerstandes in der zweiten Basiszone eine niedrigere Durchbruch-spannung als der Thyristor. Wird an die Anode und die Katode den Thyristors eine einen bestimmten Wert überschreitende Spannung angelegt, so zündet er auch ohne Zufühx'ung eines Zündstrome's über die Zündelektrode, d. h. er schaltet in seinen Zustand niedriger Impedanz. Dieser Wert wird riullkippspannung genannt. Das Zünden durch Überschreiten der Kullkippsparmung nennt man auch Überkopfzünden. Das Überkopf κ-ünden ist für einen Thyristor herkömmlicher Bauart in den meisten Fällen nicht ohne Schaden möglich, weil die beim Überkopfzünden den Zündvorgang auslösenden Ströme relativ gering sind und der Thyristor damit im wesentlichen lediglich punktförmig gezündet wird. Diese punktförmigen Bereiche müssen den gesamten Lastsxrom solange übernehmen, bi3 sich eier Zündvorgang ausgebreitet hat. Bei hohen ai/dt-
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ORiGiNAL INSPECTED
Werten wird der Thyristor dann zerstört.
Die Dreischichtstruktur beim bereits vorgeschlagenen Thyristor verschiebt den Wert, bei dem der Thyristor über Kopf zündet, in Richtung auf höhere Werte dadurch, daß der Durchbruch der Dreischichtstruktur bei einer Spannung erfolgt, die kleiner als die Nullkippspannung ist. Pließen aber sehr hohe Ströme, so zündet der Thyristor doch über Kopf und wird zerstört.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bereits vorgeschlagenen Anordnung derart, daß- der Thyristor einerseits hohe Überkopfzündströme besitzt und ein gefahrloses Überkopfzünden möglich ist. Trotz der hohen Überkopfzündströme soll der Steuerstrom für ein Zünden .über die Steuerelektrode niedrig sein und denen von konventionellen Thyristoren entsprechen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Emitterzone eine Ausnehmung aufweist, in der eine sweite Emitterzone liegt, die mit einer zweiten Emitterelektrode verbunden ist, daß die erste und die zweite Emitterzone durch einen Bereich der ersten Basiszone getrennt sind und zwischen zweiter Emitterzone und erster Basiszone ein zweiter pn-übergang, liegt, daß die zweite Emitterzone mindestens zwei Ausnehmungen aufweist, in denen Teile der ersten Basiszone liegen und daß zwischen diesen Teilen der ersten Basiszone und der zweiten Emitterzone ein dritter bzw. vierter pn-übergang liegt, daß in der einen Ausnehmung die Zündelektrode und 'in der anderen die weitere Elektrode angeordnet ist, daß die Zündelektrode den vierten pn-übergang nicht überdeckt, daß die zweite Emitterelektrode den zweiten pn-übergang wenigstens teilweise überdeckt,, daß die zweite Emitterelektrode den dritten pn-übergang wenigsten; in der Nähe der Zündelektrode nicht überdeckt, und daß die
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weitere Elektrode mit der ersten Emitterelektrode elektrisch verbunden ist.
Eine besonders einfache Anordnung ergibt sich, wenn die zweite Emitterelektrode den zweiten pn-übergang vollständig, den dritten pn-übergang aber nicht bedeckt und wenn die weitere Elektrode mit der ersten Emitterelektrode durch eine Leitung verbunden ist. Eine schnelle Stroraübernahme von der Dreischichtstruktur auf den eigentlichen Thyristor erhält man dann, wenn in der Leitung ein Widerstand liegt. Es besteht auch die Möglichkeit, auf eine Leitung und auf einen V/iderstand zu verzichten, wenn die zweite Emitterelektrode und die zweite Emitterzone eine Aussparung aufweist, wobei die weitere Elektrode und/oder der erste pn-übergang eine Nase aufweist, die in die Aussparung hineingreift. In diesem Pail wird die Leitung und der Widerstand durch die Aussparung und die Ausgestaltung der Elektrode und/oder des ersten pn-Übergangs gebildet. Hierbei können sich die Nasen überlappen. Der Widerstand wird dann durch ein zwischen der Nase der weiteren Elektrode und der ersten Emitterelektrode liegendes Stück der ersten Emitterzone gebildet. Es ist auch möglich, daß nur die weitere Elektrode eine Nase aufweist, wobei sich die Nase bis nahe an die erste Emitterelektrode erstreckt und der erste pn-übergang an der der Nase gegenüberliegenden Se^te von der ersten Emitterelektrode überdeckt wird. Hier wird der Widerstand durch das zwischen der Nase der weiteren Elektrode und der ersten Emitterelektrode liegende Stück der ersten Basiszone gebildet. Zweckmäßigerweise beträgt der Widerstand zwischen der ersten Emitterelektrode und der v/eiteren Elektrode einige Zehntel Ohm bis einige Ohm.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
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Figur 1 einen Schnitt"durch einen Halbleiterkörper eines Thyristors gemäß der Erfindung,
Figur 2 die Aufsicht auf einen Teil dieses Halbleiterkorpers, Figur 3 und 4 die Aufsicht auf Teile zweier Ausführungsbeispiele gemäl3 der Erfindung.
Das Halbleiterelement nach Figur 1 weist eine erste Emitterzone 1, eine erste Basiszone 2, eine zweite Baiszone 3 und eine weitere Emitterzone 4 auf, Die erste Emitterzone 1 ist mit einer ersten Emitterelektrode 5 und die weitere Emitterzone 4 mit einer Elektrode 11 versehen. Die erste Basiszone 2 weist ferner eine Zündelektrode 6 und eine weitere Elektrode auf, die mit der ersten Emitterelektrode 5 über eine Leitung verbunden ist. In die Leitung 9 kann ein Widerstand 20 eingeschaltet sein.
Das Halbleiterelement weist ferner eine zweite Emitterzone 12 auf, die mit einer zweiten Emitterelektrode 15 verbunden ist. Die zweite Basiszone 3 enthält einen Bereich 10, der einen gegenüber der übrigen zweiten Basiszone 3 einen z. «B, 10 bis 40^ niedrigeren spezifischen Widerstand und damit eine niedrigere Durchbruchspannung hat. Die Zone 10 liegt unter der weiteren Elektrode 8. Der spezifische Widerstand kann dabei ausgehend von der Zone 10 nach außen ansteigen und am äußeren Hand des v/eiteren Bereiches 18 se inen höchsten Wert erreichen. Der spezifische Widerstand muß also nicht unter der v/eiteren Elektrode abrupt ansteigen.
Der zwischen der ersten Emitterzone 1 und der ersten Basiszone 2 liegende pn-übergang ist mit 14 bezeichnet, er wird von der ersten Emitterelektrode 5 nicht überdeckt. Zwischen •der zweiten Emitterzone 12 und der ersten Basiszone 2 liegt ein zweiter pn-übergang 15, ein dritter pn-übergang 16 und ein vierter pn-übergang 17, Die pn-Übergänge 14, 16 und 17 v/erden von der ersten bzw. zweiten Emitterelektrode nicht überdeckt, während der pn-übergang 15 von der zweiten Emitter-
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"elektrode 13 überdeckt wird. Die genannten pn-Übergänge sind eigentlich nur die an die Oberfläche tretenden Ränder zweier pn-Übergänge. Mit Rücksicht auf eine einfache Erläuterung werden diese Ränder jedoch als pn-Übergänge bezeichnet.
In x'igur 2 sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die erste Emitterelektrode 5 eine erste Ausnehmung 21 aufweist. In der ersten Ausnehmung 21 liegt die zweite Emitterzone, die hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht bezeichnet ist. Die zweite Emitterzone 12 und die zweite Emitterzone 13 weisen ihrerseits zwei Ausnehmungen 22 und 23 auf. In der Ausnehmung 22, 23 sind die weitere Elektrode 8 bzw. die Zündelektrode 6 angeordnet. Es ist ersichtlich, daß die pn-Übergänge 14» 16 und 17 von den Emitterelektroden nicht bedeckt werden, während der pnübergang 15 von der zweiten Emitterelektrode 13 bedeckt ist.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise v/ird auf die Figur 1 Bezug genommen. Das dort gezeigte Halbleiterelement hat dre'i verschiedene Funktionen: Durch die weitere Elektrode 8, die erste Basiszone 2, die zweite Basiszone 3 und die weitere Emitterzone 4 sowie die Elektrode 11 wird eine Dreischichtstruktur gebilüst. Die zweite Emitterzone bildet mit den übrigen Zonen des Halbleiterelementes sowie den Elektroden 11, 13 einen Hilfsthyristor und der erste Emitter 1 bildet mit den übrigen Zonen des Halbleiterelementes sowie den Elektroden 11, 13 den Hauptthyristor. Zur Erläuterung der Funktion wird zunächst von dem Fall des Überkopfzündens ausgegangen. Dazu wird an die Elektrode 5, 8 und 11 eine Spannung angelegt. Wird diese Spannung gesteigert, so bildet sich zunächst in der Dreischichtstruktur 2, 3, 4 wegen des geringeren spezifischen Widerstandes im Bereich 10 der zweiten Basiszone 3 ein Durchbruch aus.
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Liegt der spezifische Widerstand z. B. urn 25>S unter dem spezifischen Widerstand der übrigen zweiten Basiszone, so liegt die Durehbruehspannung der Dreischichtstruktur unter der des Thyristors.
Hierbei fließt ein Lawinenstrom zunächst im wesentlichen zur weiteren Elektrode 8 und über die Leitung 9 ab. Ein Teil des Stromes fließt jedoch, wie durch den linken Pfeil angedeutet, unter dem linken Teil des zweiten Emitters 12 zum ersten Emitter 1, wo er durch einen der bei jedem Thyristor vorhandenen Kurzschlüsse 19 zur Emitterelektrode 5 fließen kann. Wird der Strom stärker, wird der Spannungsabfall unter dem zweiten Emitter so groß, daß der zweite Emitter Ladungsträger in die erste Basiszone emittiert. Diese Emission von Ladungsträgern leitet nun den eigentlichen Zündvorgang zunächst im Hilfsthyristor ein. Der Zündvorgang bei einem Thyristor ist hinreichend bekannt und wird daher nicht besonders erläutert. Mit Einsetzen der Zündung im Hilfsthyristor fließt ein nennenswerter Strom aus der zweiten Emitterelektrode 13 in die zweite Basiszone 2 und von dort unter der ersten Emitterzone 1 bis zu einem der in der Emitterzone 1 enthaltenen Kurzschlüsse 19 zur ersten Emitterelektrode 5. Mit wachsendem Strom wird der Spannungsabfali unter dem pn-übergang größer, bis auch die erste Emitterzone 1 beginnt, Ladungsträger zu emittierenο Damit setzt auch der Zündvorgang im Hauptthyristor ein. Da der.vom Hilfsthyristor als Zündstrom zum Hauptthyristor fließende Strom relativ stark ist, kann der Hauptthyristor linienförmig zünden.
Die Überdeckung des pn-Überganges 15 bewirkt in an sich bekannter Weise, daß der Laststrom des Hilfsthyristors als Zündstrom zum Hauptthyristor fließen kann.
Beim Zünden mittels Zündstrom wird über die Zündelektrode
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ein Zündstrom in das Halbleiterelement eingespeist. Dieser Zündstrom bewirkt in an sich bekannter Weise das Zünden des Hilfsthyristors und damit ein Zünden des Hauptthyristors. Der-wenige Bereich der zweiten Emitterzone 12, der "zwischen der Zündelektrode 6 und der weiteren Elektrode 8 liegt, verhindert ein Abfließen des Zündstromes über die weitere Elektrode 8 in die Leitung 9. Damit kann der durch die■Zündelektrode 6 eingespeiste Strom relativ klein gehalten werden.
Um auf jeden Pail die Stromübernahme von der Dreischichtstruktur auf den Hilfsthyristor sicherzustellen, bevor der Hauptthyristor über Kopf zündet, kann in die Leitung ein Widerstand 20 in der Größenordnung von einigen Zehntel bis einigen Ohm eingeschaltet werden. Damit vergrößert sich der Spannungsabfall unter dem linken Teil der zweiten Emitterzone 12 und der ersten Emitterzone 1. Der Widerstand 20 kann z. B. 0,5 0hm betragen. Die gleiche Wirkung läßt sich erzielen, v/enn der spezifische Widerstand des Bereiches nach außen allmählich ansteigt. Dies wird meistens ohnehin der Pail sein.
Im -Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der Widerstand durch die Formgebung der weiteren Elektrode 8, des ersten pn-Überganges 14, der zweiten Emitterzone 13 und der zweiten Emitterzone 12 gebildet. Die zweite Emitterzone 12 und die zweite Emitterelektrode 13 weisen eine Aussparung 29 auf. In diese Aussparung 29 ragt eine Nase 25 der weiteren Elektrode 8 und eine*Nase 26 des ersten pn-überganges 14 hinein. Die Nasen 25 und 26 überdecken sich. Der Widerstand zwischen der weiteren Elektrode 8 und der Emitterelektrode 5 wird hier durch das zwischen der Nase 25 und der ersten Emitterelektrode 5 liegende Teil der ersten Emitterzone 1.gebildet. Die Nase 26 kann z. B. 0,1 bis 5 mm lang und 0,1 bis 5 mm breit sein. Der Widerstand zwischen der weiteren Elektrode und der ersten Emitterelektrode 5 kann dann bei gegebener
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Dotierung z.B. durch die Länge der Nase 25 eingestellt werden. Dieser Widerstand ist einfach zu messen. Zum Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist noch zu bemerken, daß hier der zweite und dritte pn-übergang 15 bzw. 16 miteinander verbunden sind.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet sich von dem nach Figur 3 dadurch, daß hier der erste •pn-Übergang 14 an einer der Nase der weiteren Elektrode gegenüberliegenden Stelle unterhalb der ersten Emitterelektrode 5 verläuft. Die Nase der weiteren Elektrode 8 ist hier länger ausgebildet und mit 30 bezeichnet. Der Widerstand zwischen v/eiterer Elektrode 8 und erster Emitterelektrode 5 wird hier durch ein Stück der ersten Basiszone 2 gebildet. Da diese einen höheren spezifischen Widerstand als die erste Emitterzone \ aufweist, muß der Abstand zwischen der Nase 30 und der ersten Emitterelektrode 5 wesentlich geringer als im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 gewählt werden. Bei der üblichen Dotierung eines Thyristors ist ein Abstand sinnvoll, der etwa ein Zehntel desjenigen Abstandes beträgt, der beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 eingestellt wird.
Die zweite Emitterelektrode und die zweite Emitterzone können abweichend von den Ausführungsbeispielen auch mehrere Ausnehmungen aufweisen. So ist es z. B.' möglich, zwei oder mehr Zündelektroden in der zweiten Emitterzone anzuordnen. Es ist auch möglich, die zweite Emitterelektrode neben dem Randkurzschluß mit zusätzlichen lochfömigen Kurzschlüssen zu versehen.
Ein Bereich niedrigeren spezifischen Widerstandes ist in den meisten Halbleiterseheiben vorhanden. Solche Scheiben lassen sich durch Ausmessen heraussuchen.
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Eine niedrigere Durchbruchspannung der Dreischichtstruktur läßt sich auch dadurch erzielen, daß die zweite Basiszone 3 unter der weiteren Elektrode 6 dünner gemacht wird. Die Dreischichtstruktur kann im übrigen gleiche Zonendicken aufweisen wie der
Thyristor. Eine solche Anordnung kann z. B. durch selektives Ätzen und nachfolgendes Dotieren der
Zonen 2 und 4 hergestellt werden.
9 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (8)

  1. ,/Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit einer mit einer ersten Emitterelektrode versehenen ersten Emitterzone, einer ersten mit einer Zündelektrode versehenen Basiszone und' einem zwischen diesen Zonen liegenden ersten pn-Übergang, einer unter der ersten Basiszone liegenden zweiten Basiszone, mit einer im Halbleiterkörper angeordneten Dreischichtstruktur mit einer auf der ersten Basiszone angeordneten weiteren Elektrode und mit einem unter der weiteren Elektrode in der zweiten Basiszone . liegenden Bereich mit einer gegenüber der Durchbruchspannung außerhalb des Bereiches niedrigeren Durch-r bruchspannung, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Emitterzone (1) ein°. Ausnehmung (21) aufweist, in der eine zweite Emitterzone (.12) liegt, die mit einer zweiten Emitterelektrode (13) verbunden ist, daß die erste und die zweite Emitterzone durch einen Bereich der ersten Basiszone (2) getrennt sind und zwischen zweiter Emitterzone (12) und erster Basiszone (2) ein zweiter pn-Übergang (15) liegt, daß die zweite Emitterzone (12) mindestens zwei Ausnehmungen (22,23) aufweist, in denen Teile der ersten Basiszone liegen und daß zwischen •diesen Teilen der ersten Basiszone (2) und der zweiten Emitterzone (12) ein dritter (16) bzw. vierter (17) pn-Übergang liegt, daß in der einen Ausnehmung (23) die Zündelektrode (6) und in der anderen (22) die weitere Elektrode (8) angeordnet ist, daß die Zündelektrode (6) den vierten pn-Übergang (23) nicht überdeckt, daß die zweite Emitterelektrode (13) den zweiten pn-Übergang (15) wenigstens teilweise überdeckt, daß die zweite Emitterelektrode den drixten pn-übergang (16)
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    wenigstens in der Nähe der Zündelektrode nicht überdeckt, und daß die weitere Elektrode (8) mit der ersten Emitterelektrode (5) elektrisch verbunden ist.
  2. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e.-kennzeichnet , daß die zweite Emitterelektrode (13) den zweiten pn-übergang (15) vollständig, den dritten pn-übergang (16) aber nicht bedeckt und daß die weitere Elektrode mit der ersten Emitterelektrode durch eine Leitung (9 ) verbunden ist.
  3. 3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß in der Leitung (9) ein Widerstand (20) liegt.
  4. 4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet , daß die zweite Emitterelektrode (13) und die zweite Emitterzone (12) eine Aussparung (29) aufweist, und daß die weitere Elektrode (8) und/oder der erste pn-übergang (14) eine Hase (25 bzw. 26) aufweist, die in die Aussparung hineingreift.
  5. 5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Nasen (25,26) überlappen.
  6. 6. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch g e kennze ichne t, daß nur die weitere Elektrode (8) eine Käse (30, Pig. 4) aufweist, daß sich
    .diese Hase bis nahe an öle erste Emitterelektrode (5) erstreckt und daß der erste pn-übergang (14) an der der Nase gegenüberliegenden Seite von der ersten Emitterelektrode überdeckt wird.
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  7. 7. Thyristor nach einen der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen erster Emitterelektrode und \veiterer Emitterelektrode einige Zehntel Ohm bis einige Ohm beträgt.
  8. 8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand im Bereich (10) geringer als in der übrigen zweiten Basiszone (3) ist und nach außen allmählich ansteigt.
    9· Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Basiszone (3) unter der weiteren Elektrode (8) dünner als im übrigen Thyristor ist.
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