DE2320412C3 - Process for the production and sorting of switchable thyristors - Google Patents

Process for the production and sorting of switchable thyristors

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DE2320412C3 DE19732320412 DE2320412A DE2320412C3 DE 2320412 C3 DE2320412 C3 DE 2320412C3 DE 19732320412 DE19732320412 DE 19732320412 DE 2320412 A DE2320412 A DE 2320412A DE 2320412 C3 DE2320412 C3 DE 2320412C3
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Description

I1OFF — "Γ = I 1 OFF - "Γ =

■».+ι■ ». + Ι

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Sortierung abschaltbarer Thyristoren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a method for producing and sorting switchable thyristors accordingly the preamble of the claim.

Es ist bekannt, daß der Durchiaßstrom eines Thyristors bei der Abschaltung abrupt abfällt, sich jedoch ein flacher Abfall ergibt, wenn der Strom einen bestimmten Wert unterscl reitet. Dadurch tritt ein Verzögerungsstrom auf, durch den das Abschaltverhalten des Thyristors verschlechtert wirdIt is known that the throughput current of a thyristor drops abruptly when it is switched off however, a shallow drop results when the current falls below a certain value. This occurs Delay current through which the turn-off behavior of the thyristor is worsened

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung und zur Sortierung von Thyristoren anzugeben, die einen geringen Verzögerungsstrom aufweisen, ohne daß dabei die Durchlaßspannung erhöht ist.The invention is based on the object of a method for the production and sorting of Specify thyristors that have a low delay current without reducing the forward voltage is increased.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.This object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of the patent claim specified features.

Aus »IEEE Transactions on Electron Devices«, Band ED-13 (1966), Nr. 7, Seiten 590-597 ist es zwar bekannt, zur Verringerung der Abschaltzeit eines Thyristors Gold in den Halbleiterkörper zu diffundieren, jedoch ist es durch diese Maßnahme allein noch nicht möglich. Thyristoren mit einem entsprechenden Abschaltverhalten herzustellen und auszusortieren.From "IEEE Transactions on Electron Devices", Volume ED-13 (1966), No. 7, pages 590-597 it is known to reduce the turn-off time of a thyristor gold to diffuse into the semiconductor body, however, is it is not yet possible through this measure alone. Thyristors with a corresponding switch-off behavior manufacture and sort out.

Durch das vorgeschlagene Verfahren ist es sowohl von der Fertigungsseke als auch von der meßtechnischen Seite möglich, einfach und rationell Thyristoren mit einem bestimmten Abschaltverhalten verfügbar zu machen, während nur auf die Fertigung abzielende Maßnahmen, wie die Golddiffusion, keine Sicherheit dafür geben, daß ein Thyristor ein bestimmtes Abschaltverhalten aufweist.With the proposed method, it is both from the manufacturing sector and from the metrological one Side possible, simple and efficient thyristors with a certain turn-off behavior available too make no security while operations aimed only at manufacturing, such as gold diffusion give that a thyristor has a certain turn-off behavior.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 6 beispielsweise und im Vergleich zum Stand der Technik erläutert. Es zeigtThe method according to the invention is described below with reference to FIGS. 1 to 6, for example and in FIG Compared to the prior art explained. It shows

Fig. 1 einen Querschnitt eines allgemein üblichen Thyristors,1 shows a cross section of a general thyristor,

Fig. 2A und 2B Diagramme, aus denen das Zeit/Strom- bzw. Zeit/Spannungsverhältnis hervorgeht,2A and 2B are diagrams showing the time / current or time / voltage ratio,

F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Thyristors, F i g. 3 is an enlarged cross section of a thyristor;

Fig. 4 einen Querschnitt eines Thyristors mit zugehöriger Meßschaltung, und4 shows a cross section of a thyristor with an associated measuring circuit, and

Fig. 5 und 6 Diagramme zur Erläuterung des wobei /j der Durchlaßanodenstrom ist, der durch einen Steuerelektrodenstrom /^ abgeschaltet werden kann, kh der Stromverstärkungsfaktor eines npn-Transistors aus den Bereichen 1,2 und 3 ist, wenn ein großer Strom bei geerdeter Basis fließt, und txp der Stromverstärkungsfaktor eines pnp-Transistors aus den Bereichen 4,3 und 2 unter denselben Bedingungen wie bei dem vorherigen npn-Transistor ist.5 and 6 are diagrams for explaining where / j is the forward anode current which can be switched off by a control electrode current / ^, kh is the current amplification factor of an npn transistor from areas 1, 2 and 3 when a large current with a grounded base flows, and tx p is the current amplification factor of a pnp transistor from areas 4, 3 and 2 under the same conditions as in the previous npn transistor.

Bei einem üblichen Thyristor gilt für ocn ■ <x/v> 0Λ und für«,, :«p< 0,5 unter Berücksichtigung der Temperaturcharakteristik des Thyristors.In the case of a conventional thyristor, for ocn ■ <x / v> 0Λ and for «,,:« p <0.5 taking into account the temperature characteristics of the thyristor.

Bei einem Thyristor gilt für die Vorwärtsspannung Inzwischen der Anode A und der Kathode K: In the case of a thyristor, the following applies to the forward voltage between the anode A and the cathode K:

wobei W die Dicke des Bereichs 3 und L die Diffusionslänge darstellen, so daß der Faktor W/L mit einem kleinen Wert gewählt wird, um die Vorwärtsnpannung Vp klein zu machen. Da der Strom des Thyristors abrupt abfällt, wenn er abgeschaltet wird, kann der Thyristor vorteilhaft in der Horizontalablenkschaltung eines Fernsehempfängers, einem Regler, einer Zündeinrichtung oder einem D-Verstärker verwendet werden.where W represents the thickness of the region 3 and L represents the diffusion length, so that the factor W / L is chosen to be a small value in order to make the forward voltage Vp small. Since the current of the thyristor drops abruptly when it is turned off, the thyristor can advantageously be used in the horizontal deflection circuit of a television receiver, a regulator, an igniter or a D-amplifier.

Wie Versuche gezeigt haben, haben übliche Thyristoren die Eigenschaft, daß der Durchlaßstrom beim Abschalten zunächst abrupt abfällt, daß er jedoch flach abfällt, wenn der Strom niedrigei als ein bestimmter Wert ist. Wird ein solcher Thyristor in einer horizontalen Ablenkschaltung verwendet, dann erhält man einen sägezahnförmigen horizontalen Ablenkstrom /// als Durchlaßstrom, wie Fig. 2A zeigt, der abrupt auf einen bestimmten Wert I, fällt, danach aber flach abfällt und einen Verzögerungsabschnitt 5 bildet. Handelt es sich bei der Last um eine Induktivität, wie zum Beispiel bei einer horizontalen Ablenkschaltung, dann wird die Spannung VAk zwischen der Anode A und der Kathode K so hoch, daß ihr Spitzenwert Vp nach der Abschaltung des Thyristors 1000 Volt erreicht, wieAs tests have shown, conventional thyristors have the property that the forward current initially drops abruptly when switched off, but that it drops flatly when the current is lower than a certain value. If such a thyristor is used in a horizontal deflection circuit is then obtained a sawtooth horizontal deflection /// as a forward current, as shown in FIG. 2A, the abruptly to a specified value I falls, but then falls flat and forms a delay section 5. If the load is an inductance, such as a horizontal deflection circuit, then the voltage V A k between the anode A and the cathode K becomes so high that its peak value V p reaches 1000 volts after the thyristor is switched off, how

F i g. 2B zeigt Daraus ist ersichtlich, daß der Verzögerungsabschnitt Seine große Dämpfung bewirkt.F i g. 2B shows that it can be seen that the delay section Its causes great damping.

Unter bestimmten können bei einem Thyristor, wie ihn F i g. 3 zeigt, der Verzögerungsabschnitt S bzw. der Stromwert /, und damit die Dämpfung sehr klein gemacht werden. Es wurde festgestellt, daß der Stromwert Ix dem Verhältnis hFER von Anoden- zu Steuerstrom proportional istUnder certain conditions, a thyristor such as that shown in FIG. 3 shows the delay section S or the current value /, and thus the attenuation, can be made very small. It was found that the current value I x is proportional to the ratio hFER of anode to control current

Bei dem Thyristor 6 der Fig.3, der die gleichen Bereiche 1 bis 4 mit der gleichen Leitfähigkeit wie der Thyristor der Fig. 1 hat, stehen die Kathode K, die Anode A und die Steuerelektrode G in Ohmschem Kontakt mit den Bereichen 1, 4 bzw. Z Mit 7 ist ein Isolator, zum Beispiel eine Siliciumdioxidschicht bezeichnet ι >In the thyristor 6 of FIG. 3, which has the same areas 1 to 4 with the same conductivity as the thyristor of FIG. 1, the cathode K, the anode A and the control electrode G are in ohmic contact with the areas 1, 4 or Z With 7 is an insulator, for example a silicon dioxide layer denotes ι>

Bei diesem Thyristor ist das Anoden/Steuerstromverhältnis hFER kleiner als 0,1 gewählt Der Faktor hFER wird durch IaIIb bestimmt wenn die Kathode K und die Anode A in der in Fig.4 gezeigten Weise geschaltet sind, wobei Ia der Anodenstrom ist und Ib der in Steuerstrom ist wenn eine positive Gleichspannung an die Steuerelektrode G angelegt wird. Es gilt die Gleichung:In this thyristor, the anode / control current ratio hFER is selected to be less than 0.1. The factor hFER is determined by IaIIb if the cathode K and the anode A are connected in the manner shown in FIG. 4 , where Ia is the anode current and Ib is the in Control current is when a positive DC voltage is applied to control electrode G. The equation applies:

* 2* 2

(2)(2)

Der Stromwert Λ kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:The current value Λ can be expressed by the following equation:

(3)(3)

wobei /5 die Dicke der Sperrschicht zwischen den Bereichen 2 und 3 ist. Das Glied IS ist dabei im Vergleich zu den Gliedern Wund L ausreichend klein, so daß sich folgende Gleichung ergibt:where / 5 is the thickness of the barrier layer between areas 2 and 3. The IS member is sufficiently small in comparison to the Wound L so that the following equation results:

(4)(4)

Diese Beziehung wurde durch das Ergebnis der Messung des Verhältnisses zwischen hn;n und /„ das F i g. 5 zeigt ermittelt. Der Faktor hnm bleibt praktisch unverändert, wenn er mit einer an die Steuerelektrode G angelegten Wechselspannung gemessen wird. ">nThis relationship was confirmed by the result of measuring the ratio between hn; n and / "das F i g. 5 shows determined. The factor hnm remains practically unchanged if it is measured with an alternating voltage applied to the control electrode G. "> n

Wenn somit Λ«·« klein gemacht wird, wird auch /, klein. Wählt man hrm kleiner als 0,1, ist Ix extrem klein im Vergleich zum S'.romwert lp (F ig. 2A) unmittelbar vor dem Abschalten des Thyristors.So if Λ «·« is made small, / becomes small too. If hrm is chosen to be less than 0.1, then I x is extremely small compared to the current value I p (FIG. 2A) immediately before the thyristor is switched off.

Um hnR klein zu machen, wird das Glied W/L in -,-, Gleichung (2) groß gemacht. Hierfür genügt l.;, den Wert W (die Dicke des dritten Bereichs 3) groß zu machen. Macht man jedoch W groß, dann wird der Durchlaßspannungsabfall W(F i g. 2B) groß, so daß der Verlust in Durchlaßrichtung ansteigt. Andrerseits kann wi L klein gemacht werden, so daß dadurch das Glied W/L groß wird, wenn man beachtet, daß für L die folgende Gleichung gilt:To make hnR small, the term W / L in -, -, equation (2) is made large. For this, it suffices to make the value W (the thickness of the third area 3) large. However, if W is made large, the forward voltage drop W (Fig. 2B) becomes large, so that the forward loss increases. On the other hand, wi L can be made small, so that the term W / L becomes large if one observes that the following equation applies to L:

L = /2D L = / 2D

wobei D der Diffusionsfaktor und Tcn die wirksame Lebensdauer sind. Daher ist es nicht erwünscht, nur den Wert von Wklein zu machen, sondern den Wert von L so zu verringern, daß der Faktor Λ/τ« kleiner als 0,1 wird.where D is the diffusion factor and T c n is the effective lifetime. Therefore, it is not desirable to make only the value of W small, but rather to reduce the value of L so that the factor Λ / τ «becomes smaller than 0.1.

Es wurde festgestellt, daß bei großem Faktor tx\ die Spannung VV klein wird. Die Zunahme von VV infolge Erhöhen des Wertes von W kann also durch Erhöhen des Faktors «w begrenzt bzw. ausgeglichen werden. Im vorliegenden Falle wird der Wert des Stromverstärkungsfaktors α/ν größer als 0,7 gewählt, wenn ein großer Strom fließt und der Thyristor durchgestaltet ist.It was found that when the factor tx \ is large, the voltage VV becomes small. The increase in VV as a result of increasing the value of W can thus be limited or compensated for by increasing the factor «w. In the present case, the value of the current amplification factor α / ν is selected to be greater than 0.7 if a large current is flowing and the thyristor is configured.

Bei einer Zunahme von α/ν erfolgt daher eine Zunahme des Faktors Are«, wie die Gleichung (2) zeigt. Da die Beziehung zwischen dem Faktor hpER und dem Glied W/L durch eine Exponentialfunktion ausgedrückt wird, wie ebenfalls die Gleichung (2) zeigt, wird der Faktor Are« vom Faktor α/ν weniger beeinflußt als vom Glied W/L With an increase in α / ν there is therefore an increase in the factor Are «, as equation (2) shows. Since the relationship between the factor hpER and the term W / L is expressed by an exponential function, as also shown by equation (2), the factor Are «is less influenced by the factor α / ν than by the term W / L

Das Diagramm der Fig.6 zeigt die Beziehung zwischen der Durchlaßspannung VV und dsm Faktor hFER riit α/ν (durch praktische Messung gewonnen) als Par im :ter. Die Kurven 10 bis 13 zeigen die Beziehung zwischen hpER und VV, wenn α/ν zu 0,7, 0,75, 0,8 und 0,9 gewählt ist. Die Kurve 14 zeigt die Beziehung zwischen Vf und hFER, wenn »n zu 0,65 gewählt ist. Wenn der Faktor hpER zu 0,1 gewählt ist, ergibt sich α/ν zu 0,7 und WIL zu 3.The diagram in FIG. 6 shows the relationship between the forward voltage VV and the dsm factor hFER riit α / ν (obtained by practical measurement) as par im: ter. Curves 10 to 13 show the relationship between hpER and VV when α / ν is chosen to be 0.7, 0.75, 0.8 and 0.9. Curve 14 shows the relationship between Vf and hFER when »n is chosen to be 0.65. If the factor hpER is selected to be 0.1, the result is α / ν as 0.7 and WIL as 3.

Bei der Herstellung des Thyristors der F i g. 3 wird ein η-leitendes Halbleitersubstrat 6 verwendet, das tinen spezifischen Widerstand von 40 bis 80 Ohmcm hat und den Bereich 3 bildet, in den eine p-leitende Verunreinigung von der einen Oberfläche mit einer Tiefe von etwa 30 μιτι zur Bildung des Bereichs 4 mit einer hohen Verunreinigungskonzentration mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohmcm diffundiert wird. Eine p-leitende Verunreinigung wird ebenfalls in das η-leitende Halbleitersubstrat 6 von der anderen Oberfläche zur Bildung des p-leitenden Bereichs 2 mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohmcm und einer Tiefe von etwa 25 μπι diffundiert. Danach wird eine η-leitende Verunreinigung in den p-leitenden Bereich 2 zur Bildung des η-leitenden Bereichs 1 mit einer hohen Verunreinigungskonzentration mit einem spe7ifit .hon Widerstand von 0,0006 Ohmcm und einer Tiefe von etwa 5 μηι diffundiert. Die Dicke des dritten Bereichs 3 wird zu e.wa 150 bis 250 μπι gewä! It. Nach Durchführung der jeweiligen Diffusionsbehandlungen wird Gold eindiffundiert, damit sich W/L zu 5 und hiEH zu 0,011 ergeben. Wenn dabei ci/»z:j 0,8 und VVzu etwa 2 Volt gewählt werden, erhält man bei fp=5 Ampere, für /» = 0,15 Ampere, während der Stromwert Ix eines üblichen Thyristors 1 bis 2 Ampere beträgt.In the manufacture of the thyristor of FIG. 3, an η-conductive semiconductor substrate 6 is used, which has tinen specific resistance of 40 to 80 Ohmcm and forms the area 3, in which a p-conductive impurity from one surface with a depth of about 30 μιτι to form the area 4 with a high concentration of impurities is diffused with a resistivity of about 0.1 ohmcm. A p-conductive impurity is also diffused into the η-conductive semiconductor substrate 6 from the other surface to form the p-conductive region 2 with a specific resistance of 0.1 Ohmcm and a depth of about 25 μm. Thereafter, an η-conductive impurity is diffused into the p-conductive area 2 to form the η-conductive area 1 with a high impurity concentration with a specific resistance of 0.0006 Ohmcm and a depth of about 5 μm. The thickness of the third area 3 is e.wa 150 to 250 μπι Gewä! It. After the respective diffusion treatments have been carried out, gold is diffused in so that the W / L is 5 and hiEH is 0.011. If ci / »z: j 0.8 and VV are chosen to be about 2 volts, one obtains at f p = 5 amperes, for /» = 0.15 amperes, while the current value I x of a conventional thyristor is 1 to 2 amperes .

Hierzu 3 Mhilt ZeichnungenIn addition 3 Mhilt drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Verfahren zur Herstellung und Sortierung abschaltbarer Thyristoren mit jeweils einem Halbleiterkörper, bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen je drei aufeinanderfolgende Zonen einen Teiitransistor bilden, und mit einer Anoden-, einer Kathoden- und einer Steuerelektrode, bei dem in den Halbleiterkörper Gold diffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor von einem der beiden Teiltransistoren größer als 0,7 gewählt wird, und daß diejenigen Thyristoren ausgewählt werden, deren Verhältnis von Anoden- zu Steuerstrom bei entsprechender Golddiffusion kleiner als 0,1 ist, wenn bei geerdeter Kathode und geerdeter Anode eine Vorspannung an die Steuerelektrode angelegt istProcess for production and sorting that can be switched off Thyristors each with a semiconductor body, consisting of four consecutive Zones alternately of opposite conductivity types, three of which are consecutive Zones form a partial transistor, and with an anode, a cathode and a control electrode, in which gold is diffused into the semiconductor body, characterized in that the The current amplification factor of one of the two sub-transistors is selected to be greater than 0.7, and that those thyristors are selected whose ratio of anode to control current is corresponding gold diffusion is less than 0.1, if with a grounded cathode and grounded anode a bias is applied to the control electrode is Abschaltverhaltens des Thyristors.Shutdown behavior of the thyristor. Anhand der F i g. 1 und 2 werden zunächst der Aufbau und die Wirkungsweise eines allgemein üblichen Thyristors erläutert. Wie F i g. 1 zeigt, hat ein Thyristor einen ersten η-leitenden Bereich 1, einen zweiten p-leitenden Bereich 2, einen dritten η-leitenden Bereich 3 und einen vierten p-leitenden Bereich 4; diese Bereiche sind aufein&ndergeschichtet angeordnet Eine Kathode K ist an den ersten Bereich 1, eine Anode A an den vierten Bereich 4 und eine Steuerelektrode G an den zweiten Bereich 2 angeschlossen.Based on the F i g. 1 and 2, the structure and the mode of operation of a commonly used thyristor are first explained. Like F i g. 1 shows, a thyristor has a first η-type region 1, a second p-type region 2, a third η-type region 3 and a fourth p-type region 4; these areas are stacked on top of one another. A cathode K is connected to the first area 1, an anode A to the fourth area 4, and a control electrode G to the second area 2. Wird ein positives Signal an die Steuerelektrode G angelegt und liegt an der Anode A und an der Kathode K eine Spannung in Durchlaßrichtung an, wird der Thyristor geöffnet, während er gesperrt wird, wenn unter derselben Bedingung ein negatives Signal an die Steuerelektrode Gangelegt wird.If a positive signal is applied to the control electrode G and a forward voltage is applied to the anode A and cathode K , the thyristor is opened, while it is blocked if a negative signal is applied to the control electrode G under the same condition. Die Abschaltverstärkung ßoFF kann dabei durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:The switch-off gain ßoFF can be expressed by the following equation:
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