DE2323592C2

DE2323592C2 - Thyristor

Info

Publication number: DE2323592C2
Application number: DE2323592A
Authority: DE
Inventors: Jozef Dr. Staretschwil Cornu; Alois Dr. Nussbaumen Marek
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1973-05-10
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE7317598U; FR2188313B1; FR2188313A1; DE2323592A1; US3984858A; JPS4951884A

Description

4)

Die Erfindung betrifft einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Anspruchs I. Derartige Thyristoren wurden schon beschrieben z.B. in DE-AS 12 99 766, oder Int. J. of Electronics 29 (1970), Nr.2, S. 149-155. ,0 Aus CH-PS 4 99 882 bzw. US-PS 35 38 401 ist ein Driftfeldthyristor mit einer n-n^f-n- -Zonenfolge bekannt.

Thyristoren bestehen im allgemeinen aus vier Zonen, die abwechselnd vom n- und vom p-Leitungstyp sind. Im -,-, vorwärts leitenden Zustand werden die inneren Zonen, insbesondere die hochohmige Basis, mit Ladungsträgern überschwemmt. Diese Überschwemmung hat zur Folge, daß nach dem Übergang des Thyristors in den Rückwärts-Sperrzustand eine Verzögerung der Sperr- _h(> Fähigkeit für die wiederkehrende Vöfwäftsspännung auftriti, weil die überschüssigen Ladungsträger durch Rekombination in der Basis erst abgebaut werden müssen (vgl. /.. B. Kohl, Scicntia Electrica, Vol. Xl, Fase. (l%^r>), S. 30/31). Da die Ladiingsträgerdichte im .,-, überschwemmten Zustande etwa zehn e-Potenzen über der Trägerdiehtc im Gleichgewichtszustand liegt, wird angenommen, clal.l bis /um vollständigen Abbau des Trägerüberschusses durch Rekombination im Durch schnitt etwa die vier- bis zehnfache mittlere Trägerlebensdauer benötigt wird. Diese für den Trägerabbau benötigte Zeit wird Freiwerdezeit genannt.

Dem Herabsetzen der Trägerlebensdauer zwecks Verkürzung der Freiwerdezeit ist jedoch insofern eine Grenze gesetzt, als unterhalb einer kritischen Lebensdauer für eine bestimmte Basisbreite der Durchlaßspannungsabfall exponentiell ansteigt: Somit ist man -durch Herabsetzen der Trägerlebensdauer wohl in der Lage, die Freiwerdezeit, und damit das dynamiscne Sperrverhalten des Thyristors zu verbessern, gleichzeitig muß man aber unterhalb einer bestimmten Grenze eine Verschlechterung des Uurchlaßverhaltens in Kauf n°hmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Gegensätzlichkeit der Forderungen zu überwinden, also die Trägerlebensdauer und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors weiter herabzusetzen, ohne daß eine Vergrößerung des Durchlaßspannungsabfaüs auftritt, bzw. den Durchlaßspannungsabfall zu vermindern, ohne dafür eine größere Trägerlebensdauer und damit eine größere Freiwerdezeit in Kauf nehmen zu müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird es möglich, die Trägerlebensdauer und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors um das Drei- bis Vierfache gegenüber bekannten Anordnungen bei gleichem Durchlaßspannungsabfall herabzusetzen. Andererseits ist es entsprechend möglich, bei gleichbleibender Trägerlebensdauer den Durchlaßspannungsabfall zu reduzieren. Die Sperrspannung kann bis um 30% erhöht werden. Es können bei gleichbleibendem statischen Sperrverhalten kleinere Anschrägungswinkel vorgesehen werden, wodurch aktive Fläche gewonnen wird. Bei gleichbleibendem Anschrägungswinkel kann in den p-Zonen ein steileres Dotierungsprofil vorgesehen werden, wodurch diese Zonen dünne^r gemacht werden können.

Ein Thyristor nach der Erfindung kann bei einer maximalen Sperrspannung von 2500 V und einer Frequenz der Hauptspannung von 1 bis 50 kHz betrieben werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Thyristors gemäß einem Ausfühioingsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 schematisch das Dotierungsprofil in der n- Basis des Thyristors nach Fig. 1,

Fig. 3 den Verlauf der Ladungsträgerdichte im Vorwärts-Durchlaßzustand in der Basis für eine mit pn-Übergängen versehene Basis und für eine Basis ohne diese pn-Übergänge.

Der Durchlaßspannungsabfall in der Basis ist von der Basisbrüie und der Trägerlebensdauer näherungsweise proportional zum Ausdruck cxp (d/L) abhängig. Darin bedeutet c/ die halbe Basisbreite und /. = /D ■ r'ä die Diffusionslänge, wobei D= Diffusionskonstante und r/i = Trägcrlebcnsdäüef in der Basis. Für jeden Wert der Basisbreitc existiert ein kritischer Wert der Trägcrle· bcnsdatier, bei dessen Unicrschrcitiing der Durchlaß Spannungsabfall in der Basis rapid ansteigt. Andererseits wird der Durchlaßspanmingsabfall auch wesentlich durch die minimale Trägerdiehtc in der Basis im Vorwärts-DurchlaU/ustand bestimmt, welche dem Aus druck I/cosh'(//7J proportional ist.

In F i g. 1 ist nun ein Thyristor dargestellt, welcher einen ersten Zonenübergang 1, einen zweiten Zonenübergang 2, einen dritten Zonenübergang 3 und einen vierten Zonenübergang 4, sowie eine hoch n-dotierte (n⁺) Zone 5, ein p-dotierte Zone 6, eine aus den Einzelzonen 7a, 76, Tc bestehende Basis 7, eine p-dotierte Zone 8 und eine hoch p-dotierte (p⁺) Zone 9 aufweist. Die mit der Kathode K versehene Zone 5 wirkt als η-Emitter, die mit der Anode A versehene Zone 9 als p-Eminer, und die mit der Steuerelektrode C versehene Zone 6 als Steuerzone. Die Breite der Basis beträgt 2d

Gemäß Fig. 1 wird nun zunächst anstelle einer einzigen hochohmigen n-Basis eine Struktur mit drei Einzelzonen /Ί, n⁺, /2 vorgesehen, wobei /1 und h je eine eigenleitende (intrinsische), in der Praxis schwach dotierte, und η <· eine mit Donatoren hochdotierte Zone darstellen. Damit beträgt die effektive Basisbreite praktisch nur noch die Hälfte des ursprünglichen Wertes, obwohl sich die Gesamtdicke des Thyristors nur unwesentlich vergrößert. Der Grund dafür besteht darin, das durch die Einfügung der mittleren Einzeizone Tb im Vorwärts-Durchlaßzustand die TrägerdL-hte im Bereich dieser Einzelzone Tb angehoben wird. Die den Durchlaßspannungsabfall bestimmende minimale Trägerdichte kann jetzt näherungsweise durch ]/cosh(d/2L) beschrieben werden. Bei unveränderter Trägerlebensdauer wird der Durchlaßspannungsabfall also erheblich reduziert. Andererseits kann man für einen unveränderten Durchlaßspannungsabfal! jetzt Lebensdauern zulassen, die 3 — 4mal kleiner sind als vorher, was eine 3—4mal kürzere Freiwerdezeit zur Folge hat. Für die dargestellte Struktur ist die elektrische Feldstärke in der sperrenden i-Zone praktisch konstant, im Gegensatz zum quasilinearen Abfall in einer üblichen hochohmigen η-Zone. Damit braucht jede der i-Zonen nur halb so dick zu sein wie die ursprüngliche n-Zone.

Weiterhin sind nun in den beiden schwach dotierten Einzelzonen Ta, Tb pn-Übergänge j\, J2 vorgesehen, die in F i g. I gestrichelt angedeutet sind. Beispielsweise kann das Dotierungsprofil dann die in F i g. 2 gezeigte Gestalt haben. Dabei sind in positiver Ordinatenrichtung die Konzentration der Donatoren No, und in negativer Ordinatenrichtung die Konzentration der Akzeptoren Ν_Λ in Abhängigkeit von der Basisbreite χ aufgetragen. Mit dieser Basisstruktur läßt sich eine entscheidende Erhöhung der minimalen Trägerdichte in der Basis im Durchlaßzustand, und damit eine entscheidende Verminderung des Durchlaßspannungsabfalls erzielen.

Von Bedeutung ist auch, daß durch die geschilderten Maßnahmen insbesondere der negative Winkel, unter dem der Thyristor zwecks Verbesserung des statischen

lu Sperrverhaltens angeschrägt werden muß (vgl. z. B. US-PS 34 91272 oder US-PS 35 75 644), bei gleich gutem Sperrverhalten jetzt weniger steil sein kann, so daß ein beachtlicher Gewinn an aktiver Fläche möglich ist

Fig. 3 zeigt die Trägerdichte in der Basis des vorwärts leitenden Thyristors in Abhängigkeit von der Basisbreite * ohne pn-Übergänge (ausgezogene Linie) und mit pn-Übergängen (gestrichelte Linie). Wie ersichtlich, weist die Verteilung der Trägerdichte ein Maximum im Bereich der mittleren Einzelzone Tb, und gemäß der gestrichelten Linie dann aud im Bereich der pn-Übergänge_/i undy^auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform betrag: die Trägerkonzentration für die mittlere (Tb) der drei Einzelzonen 10" bis 10^l8cm-³, und für die beiden äußeren (7a, Tc) 10'^J cm -³. Die übrigen Zonen 5,6,8 und 9 sind wie üblich (vgl. z. B. Scientia Elect. Vol. Xl, Fase. 1 (1965), S. 23) dotiert.

Die pn-Übergänge j\, ji müssen relativ dünn

jo ausgeführt sein, um das Einschalten des Thyristors nicht zu behindern. Die Übergänge j\, 72 können z. B. durch eine Erhöhung der η-Dotierung auf einer Dicke von etwa ΙΟμιη auf etwa 10" cm-³, und eine gleich daran anschließende p-Dotierung auf etwa derselben Dicke bei etwa 10" cm-^J realisiert werden.

Die dargestellten Strukturen lassen sich beispielsweise durch Epitaxieverfahren aus der Gasphase realisieren. Es ist jedcch auch möglich, bei einem Wachstum des Thyristoi-Kristalls aus der Schmelze das gswünschte Dotierungsprofil durch geeignete Temperaturschritte, z. B. mittels des Peltier-Effekts, zu erzielen, derart, daß mittel der Temperaturschritte die Wachstumsrate und damit die Dotierung beeinflußt wird (vgl. z. B. J. El. Chem. Soc. Bd. 118(197I)₁Nr. 6.S. !013-1016).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor, dessen η-Basiszone aus drei in Hauptstromrichtung nacheinander angeordneten Einzelzonen besteht, wobei die mittlere Einzelzone hoch dotiert und erheblich dünner ist als jede der beiden äußeren Einzelzonen, und die beiden äußeren Einzelzonen etwa gleich dick und schwach dotiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer derschwach dotierten Einzelzonen(7a, Tc) Dotierungsschichten (10, 11) vorgesehen sind, die einen pn-übergang (juh) bilden, und diese Schichten (10, 11) dünner sind als die mittlere Einzelzone (7b). η

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder schwach dotierten Einzelzone (7a, 7c) je ein pn-übergang {juh) vorgesehen ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Einzelzone (7b) in 2η einer Konzentration zwischen 10" und 1O¹⁸Cm-³, und die beiden äußeren Einzelzonen (7a, 7c) in einer Konzentration zwischen 10¹⁰ und 10¹³Cm-³ dotiert sind.

4. Thyristor nach einem der vorangehenden r> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die pn-Übergänge (Ju h) bildenden Schichten (10, 11) jeweils aus zwei aufeinanderfolgenden, etwa 10 μπι dicken, einmal p- und einmal n-dotierten Teilschichten bestehen, in denen die p- bzw. η-Dotierung etwa in 10^l7cm³beträ7t.

5. Verfahren zum Betrieb des Thyristors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor bei einer maximalen Sperrspannung von 2500 V und einer Frequenz der H mptspannung von ü 1 bis 50 kHz betrieben wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den drei Einzelzonen (7a, 7b, 7c) bestehende Basis (7) mittels Epitaxieverfahren aus der Gasphase oder durch gesteuertes Kristallwachstum aus der Schmelze erzeugt wird.