DE2323592C2 - Thyristor - Google Patents
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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-nf-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 dünner 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 ΝΛ 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 10l8cm-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 (6)
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
10l7cm3beträ7t.
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.
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