DE2625009A1

DE2625009A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE2625009A1
Application number: DE19762625009
Authority: DE
Inventors: Shin Kimura; Yoshio Terasawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-06-04
Filing date: 1976-06-03
Publication date: 1976-12-23
Also published as: US4063270A; JPS5631748B2; DE2625009C2; JPS51142983A

Description

α ν \λ/ λ lt ε SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MÜNCHEN 9O, MARIAHIL.FPLATZ 2 & 3 POSTADRESSE: D-8 MÜNCHEN 95, POSTFACH 95 O1 6O

• DlPU. CHEM. DR. OTMAR DITTMANN (flS75)

KARL LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER DIPU INS. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHOBEL-HOPF HITACHI f LTJJ · DIPL. INS. DIETER EBBINGHAUS

TELEFON (Ο89) 48 SO 64 TELEX 5-23 565 AURO D

TELESRAMME auromarcpat München

3. Juni 1976 DA - 12 130

Priorität: 4. Juni 1975, Japan, Nr. 66 466

!Thyristor

Die Erfindung betrifft Thyristoren und insbesondere einen Thyristor mit einem Verstärkungs-Steuerelektrodenaufbau.

Ein "Verstärkungs-Steuerelektrodenaufbau (amplifying gate structure) wird bei Thyristoren verwendet, an denen eine hohe Spannung anliegt und die mit hohem Strom oder hoher Schaltgeschwindigkeit betrieben werden. Für diesen Verstärkungs-Steuerelektrodenaufbau wurden verschiedene Steuerelektrodenformen vorgeschlagen, die als feldgesteuerte oder FI-Steuerelektroden (Field Initiated gate), als Verstärkungs-Steuerelektroden (amplifying gate) und als Eückkoppel-Steuerelektroden (regenerative gate) bezeichnet v/erden.Die FI-Steuerelektrode ist beispielsweise in der US-PS 3 408 54-5 und in der DT-OS

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1 489 931 beschrieben. Die Verstärkungs-Steuerelektrode ist beispielsweise in der US-PS 3 526 815 beschrieben; und die Rückkoppel-Steuerelektrode ist beispielsweise in der US-PS 3 486 088 und der DT-OS 1 906 816 enthalten.

Der Aufbau und der Einschaltvorgang eines herkömmlichen Thyristors vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp (nachfolgend als Verstärkungsthyristor bezeichnet), soll nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4- beschrieben werden. Ein Thyristor, der eine Steuerelektrodenform aufweist, die als Verstärkungs-Steuerelektrode bezeichnet wird, weist einen Aufbau auf, wie er beispielsweise in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. "Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, weist ein Halbleitersubstrat 1 eine n-Emitterschicht 6, eine p-Basisschicht 5» eine n-Basisschicht 7 und eine p-Emitterschicht 8 auf, die zwischen zwei gegenüberliegenden Hauptoberfläche 111 und 112 aneinanderliegend ausgebildet sind. Die n-Emitterschicht 6 ist in der p-Basisschicht 5 ausgebildet, wobei die Oberfläche der n-Emitterschicht 6 an der Hauptoberfläche 111 des Substrates 1 freiliegt und einen ersten Teil 61 sowie einen zweiten Teil mit einem kleineren Oberflächenbereich als der erste Teil 61 aufweist. Der erste Teil 61 der n-Emitterschicht 6 stellt eine der Endschichten eines ersten Vierschichten-Bereichs dar, der als Hauptthyristor 10 wirkt, und der zweite Teil 62 der n-Emitterschicht 6 stellt eine der Endschichten eines zweiten Vierschichten-Bereichs dar, der als HiIfs-Thyristor 11 dient. Bei der Steuerelektrodenform, die als Verstärkungs-Steuer- -elektrode bezeichnet wird, ist der erste Teil 61 der n-Emitterschicht 6 vom zweiten Teil 62 isoliert. Bei den Steuerelektrodenformen, die als FI-^steuerelektroden und als Rückkoppel-Steuer elektroden bezeichnet werden, sind diese beiden Teile und 62 d.er n-Emitterschicht 6 jedoch miteinander verbunden.

Eine Elektrode 2 steht mit der Oberfläche des ersten Teils der n-Emitterschicht 6 in ohmschen Kontakt und bildet die Kathode. Die andere Elektrode 3 steht mit der Oberfläche der p- -Emitterschicht 8 in -ohmschem Kontakt und bildet die Anode.

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Eine weitere Elektrode 4- steht mit der Oberfläche der p-Basisschicht 5 in der Nähe des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 in ohmschem Kontakt und bildet die Steuerelektrode. Der zweite Teil 62 besitzt einen pn-übergang 62a zwischen sich und der p-Basisschicht 5 gegenüber der Steuerelektrode 4. Eine ringförmige Elektrode 9 bedeckt mit einem Bereich den grösseren Teil der Oberfläche des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht und umgibt mit ihrem übrigen Bereich den ersten Teil 61 der n-Emitterschicht 6, wobei dazwischen ein vorgegebener Abstand ist, um die Hilfs-Steuerelektrode zu bilden. Fig. 3 zeigt die Steuerelektrodenbereiche des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Thyristors im einzelnen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Kurz-schlussloch 12 einheitlich im ersten Teil 61 der n-Emitterschicht 6 ausgebildet, so dass die Grosse dY/dt vergrössert werden kann (das ist der Anstieg pro Zeiteinheit der an dem Halbleiterelement in Vorwärtsrichtung anliegenden Spannung).

Der Einschaltvorgang des Thyristors mit einem solchen Aufbau, bzw. der Vorgang, mit dem der Thyristor mit einem solchen Aufbau in den leitenden Zustand versetzt wird, soll nachfolgend anhand des in Fig. 4- dargestellten Ersatzschaltbildes beschrieben werden. Der Steuerstrom fliesst von der Steuerelektrode 4-über einen Widerstand R^ zu einem Widerstand Ep . Wenn der Spannungsabfall am Widerstand Ro einen inneren Spannungswert eines pn-Übergangs J^ übersteigt, kann der Steuerstrom durch den Übergang J^ in den zweiten Teil 62 der n-Emitterschicht 6 fliessen, so dass der Hilfsthyristör 11 in den leitenden Zustand versetzt wird. Der Einschalt strom i-™-, (der Strom in Vorwärtsrichtung), der durch den Hilfsthyristör 11 fliesst, dient als

Steuerstrom für den Hauptthyristor 10, der in derselben Weise in den leitenden Zustand versetzt wird, wie der Hilfsthyristor 11. -

Beim Einschaltvorgang des Thyristors vom Verstärkungs-Elektrodentyp ist der kleinste Steuerstrom (I_G)min, der erforderlich ist, um den Hilfsthyristor 11 in den leitenden Zustand zu versetzen, näherungsweise durch folgende Gleichung gegeben:

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.Hierbei ist V, die innere -Spannung des pn-Übergangs Z₇, zwischen dem n-Emitter und der p-Basis.

In den Fällen, in denen die Thyristoren des zuvor beschriebenen Typs für verschiedene Zwecke verwendet werden, insbesondere in den Fällen, in denen mehrere solche Thyristoren in einer Schaltung parallel liegen, müssen diese Thyristoren eine gleichförmige, einheitliche Einschalt-Charakteristik aufweisen, um zu vermeiden, dass der Strom nicht gleichmässig durch die Schaltungsanordnung fliesst. Wenn die Thyristoren so hergestellt werden können, dass sie eine gleichmässige, einheitliche Einschalt-Charakteristik aufweisen, können die gewünschten Thyristorschaltungen leicht hergestellt werden und die Ausschussrate bzw. die Ausfallrate der Thyristoren kann verringert werden und die Leistungsaufnahme kann erhöht werden. Wenn die Wirksamkeit der Ladungsträgerinjektion in den p-n-Übergang J, verbessert wird, kann die Steuerelektroden- bzw. Ansprechempfindlichkeit erhöht werden, so dass eine zufriedenstellende Einschalt-Charakteristik vorliegt, so dass eine ungewünschte, nachteilige Streuung der Einschalt-Kennwerte oder Kennlinien der einzelnen Thyristoren ebenfalls vermieden werden kann. Darüberhinaus ist dies auch in der Hinsicht vorteilhaft, dass der über den Thyristoren auftretende Spannungsabfall in ■Vorwärtsrichtung auch in zufriedenstellender Weise einheitlich und gleichförmig gemacht werden kann. Bei dem herkömmlichen,_# in den Fig. 1 und 2 dargestellten Thyristor führt die Verbes serung der Wirksamkeit der Ladungsträgerinjektion jedoch zu einer Verringerung des kleinsten Steuerelektrodenstromes, der zum Einschalten des Thyristors erforderlich ist und eine starke Verringerung des kleinsten Steuerelektrodenstromes kann zu einem Fehlverhalten oder zu einer falschen Arbeitsweise des Thyristors führen, beispielsweise wird der Thyristor, der durch ein normales Signal in den leitenden Zustand versetzt werden -soll,.bereits durch einen Störstrom oder eine entsprechende

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Störung in den leitenden Zustand versetzt. Obgleich eine solche fehlerhafte Zündung des Thyristors durch Aufnahme spezieller Einrichtungen in die Steuerelektroden-Schaltung verhindert werden kann, so ist dies doch unerwünscht, weil dadurch der Aufbau der Steuerelektrodenschaltung recht kompliziert und umfangreich wird.

Der Wert des kleinsten Steuerelektrodenstromes, der zum Zünden des Thyristors erforderlich ist, kann durch Verändern der Widerstandswerte des Widerstandes E in der Gleichung (1) geändert werden. In diesem Falle kann die Länge L (vgl. Fig. 1) des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6, der der Steuerelektrode 4- gegenüberliegt, vergrössert, oder die Breite W des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 verkleinert werden, um den Widerstandswert des Widerstandes I^ zu verkleinern, so dass der Wert des kleinsten Steuerelektrodenstromes, der zum Zünden des Thyristors erforderlich ist, erhöht wird. Die Vergrösserung der Länge L des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 führt jedoch unvermeidlich zu der Notwendigkeit, dass ein höherer Strom für die Steuerelektrodenschaltung erforderlich ist. Das Verkleinern der Breite W des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 führt unvermeidlich dazu, dass die Schaltleistung (d. h. der Wert di/dt) verringert wird. Die dafür verantwortlichen Gründe sollen nachfolgend anhand von Fig. 5 im einzelnen erläutert werden.

In Fig. 5 sind Messergebnisse an verschiedenen Thyristoren mit unterschiedlicher Breite W des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 graphisch aufgetragen. Bei dieser Untersuchung wurde keine Spannung über den Anode 3 und der Kathode 2 der Thyristoren angelegt und die Dichteverteilung des Steuerstroms, der in den zweiten Teil 62 der n-Emitterschicht 6 fliesst, wurde unter dieser Voraussetzung für jeden Thyristor gemessen. Auf der Ordinate ist -die Steuerstromdichte und auf der Abszisse der Abstand aufgetragen, der in Richtung der Breite W vom Ende (d. h. vom Übergang 62a) des zweiten Teiles 62 der n-Emitterschicht 6, der der Steuerelektrode 4- am nächsten liegt, gemessen wurde. Die

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Steuerstromdichte weist am Ende des zweiten Teils'62 der η-Emitter schicht 6, das der Steuerelektrode 4 am nächsten liegt, den höchsten Wert auf und nimmt mit grösserem Abstand, also zum entferntesten Ende hin ab. Der Zündvorgang, der durch den Steuerstrom ausgelöst wird, beginnt in einem Bereich des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6, wo die Steuerstromdichte höher als ein vorgegebener Wert ist. Der Bereich mit höchsten Steuerstromdichte wird mit Abnahme der Breite W des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6 kleiner, wie dies in Fig. 5 zu ersehen ist, was zur Folge hat, dass der Anfangs-Zündbereich eingeengt wird und die Schaltleistung, d. h. den Vert di/dt, des Thyristors verringert.

Andererseits kann der kleinste Steuerstrom, der zum Zünden des Bauteiles erforderlich ist, proportional mit der Vergrösserung der Länge L des zweiten Teils 62 der n-Emitterschicht 6, die der Steuerelektrode 4- gegenüberliegt, wie dies zuvor beschrieben wurde, erhöht werden, wenn die Breite W konstant bleibt und die Länge L vergrössert wird. Gleichzeitig ist es jedoch erforderlich, den Steuerstrom, der für den Betrieb der Thyristoren im praktischen Falle erforderlich ist, stark zu erhöhen (dieser Steuerstrom soll nachfolgend als Betrxebssteuerstrom bezeichnet werden). Genauer ausgedrückt, um mehrere Thyristoren gleichzeitig sicher und zuverlässig zu zünden, ist es erforderlich, einen Betriebssteuerstrom bereitzustellen, der ausreichend grosser als der kleinste Steuerstrom ist, wobei die Dichte des Steuerstromes, der in den zweiten Teil 62 der n-Emitterschicht in jedem Thyristor fliesst, erhöht wird, damit sowohl die einzelnen Thyristoren als auch die Bereiche der Hilfsthyristoren mit möglichst kleinen Schwankungen hinsichtlich der Zünd-Verzögerungszeit gezündet werden können. Wenn beispielsweise mehrere Thyristoren mit einem kleinsten Steuerstrom von 20 bis 30 mA in Reihe und parallel geschaltet sind, muss ein Betriebssteuerstrom von etwa 1 Ampere normalerweise bereitgestellt werden, damit die einzelnen Thyristoren mit möglichst kleinen Schwankungen hinsichtlich der Zünd-Verzögerungszeit in den leitenden Zustand versetzt werden können. Der kleinste Zünd-Steuerstrom von 40 bis 60 mA, der doppelt so gross wie der zuvor an-

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gegebene Vert ist, kann durch Vergrössern der Länge L um das Doppelte des zuvor angegebenen Wertes erzieltwerden. In einem solchen Falle ist es jedoch erforderlich, einen Betriebssteuerstrom von 2 Ampere bereitzustellen, damit der Steuerstrom mit der gleichen Stromdichte in den zweiten Teil 62 der n-Emitterschicht 6 jedes einzelnen Thyristors fliessen kann, um sicherzustellen, dass die einzelnen Thyristoren mit im wesentlichen der gleichen Zünd-Verzögerungszeit in den leitenden Zustand gebracht werden können. Demzufolge muss der Betriebssteuerstrom , um 1 Ampere erhöht werden, um den kleinsten Zünd-Steuerstrom von 20 auf 30 mA zu erhöhten. Dies ist deshalb unerwünscht, weil die Stroinaufnahme der Steuerschaltung' entsprechend höher sein muss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Thyristor mit einem Verstärkungs-Steuerelektrodenaufbau zu schaffen, bei dem der kleinste Steuerstrom vergrössert werden kann, ohne dass der Betriebssteuerstrom, der für das Zünden erforderlich ist, erhöht werden muss und ohne dass die Schaltleistung, d. h. der Wert di/dt, kleiner wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den in Anspruch 1 angegebenen Thyristor gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Thyristors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp angewandt wird, weist der zweite Teil 62 der n-Emitterschicht 6, der einen pn-übergang 62a zwischen sich und der p-Basisschicht 5* die der Steuerelektrode M- gegenüberliegt, einen ersten Bereich, der beim Übergang 62a beginnt und sich von der Steuerelektrode 4 mit einer vorgegebenen wirksamen Breite weg erstreckt, sowie wenigstens einen zweiten Bereich auf, der beim Übergang 62a beginnt und sich von der Steuerelektrode 4 mit einer wirksamen Breite weg er-

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- 8 streckt, die kleiner als die vorgegebene wirksame Breite ist.

Bei dem erfindungsgemässen Halbleiter-Thyristor kann der kleinste Steuerstrom um einen Betrag erhöht werden, der dem Steuerstrom entspricht, welcher durch einen Uebenstromweg fliesst, der im p-Basisschichtbereich unterhalb des zweiten Bereiches mit der kürzeren wirksamen Breite ausgebildet ist. Dadurch wird verhindert, dass der Thyristor fehlerhaft oder falsch durch Störströme gezündet wird, die zwischen der Steuerelektrode und der Kathode auftreten bzw. induziert werden. Dieser Nebestromeffekt wird sicher und zuverlässig aufrechterhalten und nicht durch Vorgänge, wie beispielsweise durch ein Oberflächenätzen während des Herstellungsverfahrens des Thyristors beeinflusst. Darüberhinaus wird der erste Bereich mit der vorgegebenen wirksamen Breite schneller gezündet als der zweite Bereich und daher tritt keine Verringerung in der Schaltleistung, d. h. keine Verkleinerung des Wertes di/dt auf. Der Betriebssteuerstrom, der zum Zünden des Thyristors erforderlich ist, muss auch nicht wesentlich erhöht werden.

Der erfindungsgemässe gesteuerte Gleichrichter weist also ein Halbleitersubstrat mit mehreren Schichten abwechselnden, unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps auf, wobei die oberste Schicht, die an einer der !Hauptoberflächen freiliegt, in einen ersten Teil, welcher einen Hauptthyristor bildet und einen zweiten Teil aufgeteilt ist, dessen Fläche kleiner als die Fläche des ersten Teiles ist und der einen Hilfsthyristor bildet. Bei diesem Halbleiterbauteil weist der zweite Teil der äussersten Schicht des Halbleitersubstrates einen ersten Bereich, der beim Zünden des Halbleiterbauteils teilnimmt, sowie einen zweiten Bereich auf, der den kleinsten Steuerstrom, der zum Zünden des Halbleiterbauteiles erforderlich, ist, erhöht, so dass der kleinste Steuerstrom, der zum Zünden des Hilfsthyristörs erforderlich ist, erhöht wird, Ohne dass der Steuerstrom, der zum Zünden des Hilfsthyristοrs erforderlich ist, wesentlich erhöht werden muss, und ohne dass die Schaltleistung, d. h. die Grosse di/dt des Halbleiterbauteiles verringert ist, so dass eine Fehlzün-

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dung auf Grund von Störströmen, die zwischen der -Steuerelektrode und der Kathode auftreten bzw. induziert werden, verhindert werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines herkömmlichen Thyristors vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp in Aufsicht,

Pig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. Λ eingezeichneten Schnittlinie H-II,

Pig. 3 eine vergrösserte Darstellung eines Teils der in Fig. 2 wiedergegebenen Anordnung,

Fig. 4- ein Ersatzschaltbild, mit dem der Zünd-Vorgang des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Thyristors vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp erläutert wird,

Fig. 5 die graphische Darstellung der Dichteverteilung des Steuerstromes, welcher im zweiten Teil der n-Emitterschicht des in den Fig. Λ und 2 dargestellten Thyristors vom Verstärkungs-S.teuerelektrodentyp fliesst,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Aufsicht, die die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei dem herkömmlichen, aber in den Fig. 1 und 2 dargestellten Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp wiedergibt,

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 6 eingezeichneten Schnittlinie VII-VII,

Fig. 8 die schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht, die die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei dem herkömmlichen Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp wiedergibt ,.

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 8 eingezeichneten Schnittlinie IX-IX,

Fig.10 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Aufsicht,

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die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung bei dem herkömmlichen Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp wiedergibt,

Fig.11 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 10 eingezeichneten Schnittlinie XI-XI,

Fig.12 eine schematische Darstellung eines vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Aufsicht, die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem Thyristor vom Rückkoppel-Steuerelektrodentyp wiedergibt,

Fig.13 einen schematischen Querschnitt entlang -der in Fig.12 angegebenen Schnittlinie XIII-XIII, -

Fig.14 eine schematische Darstellung eines fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in Aufsicht, die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem anderen herkömmlichen Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp wiedergibt,

Fig.15 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 14 eingezeichneten Schnittlinie XV-XV.

Anhand der Fig. 6 und 7 soll nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. In Fig. 6 ist eine schematische Teildarstellung in Aufsicht wiedergegeben, die eine Anwendungsform der vorliegenden Erfindung bei dem herkömmlichen, in den Fig. 1 und 2 dargestellten Thyristor vom Verstärkungs-Steuerelektrodentyp (nachfolgend als Verstärkungsthyristor bezeichnet) wiedergibt. Fig. 7 stellt einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 6 eingezeichneten Schnittlinie VII-VII dar. Für gleiche Teile in den Fig. 6 und 7 werden die gleichen Bezugszeichen und Symbole wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Die Anordnung weist also eine Kathode 2, eine Anode 3» eine Steuerelektrode 4, eine p-Basisschicht 5, eine n-Emitterschicht 6, eine η-Basisschicht 7» eine p-Emitterschicht 8 und eine Hilfs-Steuerelektrode 9 auf.

Weiterhin ist ein erster Teil 61 der n-Emitterschicht 6 dargestellt, wobei der erste Teil 61 die Endschicht der Haupt-

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thyristors 10 bildet. Dieser erste Teil 61 wird nachfolgend als Haupt-n-Emitterschicht bezeichnet. In dieser Haupt-n-Emitterschicht 61 ist ein Kurzschlussloch 12 vorgesehen, um die -Grosse dV/dt zu -erhöhen. Ein zweiter Teil 62 der n-Emitterschicht 6 bildet die Endschicht eines Hilfs-Thyristors 11 und dieser zweite Teil 62 wird nachfolgend als Hilfs-n-Emitterschicht bezeichnet. Diese Hilfs-n-Emitterschicht 62 legt einen pn-Ubergang 62a zwischen der Hilfs-n-Emitterschicht 62 und der p-Basisschicht 5 fest, wobei dieser Übergang 62a mit einem Ende an einer Hauptfläche 111 des Halbleitersubstrates freiliegt, wobei der Übergangs 62a gegenüber der Steuerelektrode 4 liegt. Die Hilfs-n-Emitterschicht 62 besitzt einen ersten Bereich 14, der am Übergangs 62a beginnt und sich von der Steuerelektrode 4 weg in einer vorgegebenen wirksamen Breite W^ erstreckt. Die zweiten Bereiche 13, die am Übergangs 62a beginnen, erstrecken sich von der Steuerelektrode 4 mit einer wirksamen Breite Wp weg, die kürzer als die Breite W^ ist. Durch die zweiten, eine kürzere Breite W2 aufweisenden Bereiche 13 werden durch die entsprechenden Bereiche der p-Basisschicht Widerstände Rr und Rg gebildet. Diese Widerstände Rn und Rg liegen zwischen der Steuerelektrode 4 und der Hilfssteuerelektrode 9 entsprechend der in Fig. 4 dargestellten Schaltung.

Der Einschaltvorgang bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem Einschaltvorgang bei dem anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Verstärkungsthyristor. Der erfindungsgemässe Thyristor hat gegenüber dem herkömmlichen Thyristor jedoch den Vorteil, dass der kleinste Steuerelektrodenstrom (I^min um einen Wert vergrössert wird, der dem Strom entspricht, der durch den Nebenstromweg fliesst, welcher durch die auf Grund der zweiten Bereiche 13 gebildeten Widerstände Er und Rg vorliegt. Durch die Gleichung (1) ist der kleinste Steuerstrom (1,0min für den Hilfsthyristor 11, der sich im ersten Bereich 14 befindet, gegeben durch (I_G)min = ττ- . In diesem Falle ist die über der Steuerelektrode 4 und der Hilfssteuerelektrode

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— 12 liegende Steuerspannung V^₁ gegeben durch die Gleichung ^VG1 ⁼ ^G^^m^ⁿ " ^^E1 ^{+ R}P^* ^^eT ^^nTc^- ä-i-^e ^auf Grund der zweiten Bereiche 3 gebildeten Widerstände Ec- und Ec fliessende Steuer-

strom ist durch ^ ^- gegeben, da diese Widerstände E_n-

und Rg zwischen der Steuerelektrode 4 und der Hilfssteuerelektrode 9 liegen.

Daher ist der kleinste Steuerstrom (Iq.) 'min für den erfindungsgemässen Thyristor durch die Summe aus dem kleinsten Steuerstrom (I_r)min für den Hilfsthyristor rl 1, der im ersten

· Vq.^

Bereich 14· vorliegt und den Steuerstrom «—- gegeben, der

*5 6

durch den Nebenstromweg fliesst, welcher durch die zweiten Bereiche 13 gebildet wird. Daher kann (Iq)¹ · ausgedrückt werden durch:

t . _ Ct \ ■ G1

min ~ ^G'min "*" E

₅ +

Der kleinste Steuerstrom (Iq)¹ -_n für den erfindungsgemässen Thyristor ist also um einen Wert entsprechend

E₁ + E₂
(In) ·_η * ( ) grosser als der kleinste Steuerstrom (Iq)₁₁₁.?_n

E5 + R₆

beim herkömmlichen Thyristor. Der kleinste Steuerstrom (I_n)' .

° b' mm

für den erfindungsgemässen Thyristor kann durch Indern der Widerstandswerte der Widerstände E₁, E₁- und E₆ verändern werden. (Der Widerstandswert des Widerstandes H₂ ist in Abhängigkeit von der Schalt-Charakteristik bzw. -Kennlinie festgelegt, wie dies zuvor beschrieben wurde.)

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Bei der vorliegenden Erfindung wird der Teil der p-Basisschicht 5, die unterhalb der Hilfs-n-Emitterschient 62 liegt, als Widerstand Eg verwendet, um zusammen mit dem Widerstand Ej- den Nebenstromweg für den Steuerstrom auszubilden. Es kann als vorteilhaft angesehen werden, dass der freiliegende Teil der p-Basisschicht 5» der dem Widerstand E₁- entspricht, nur dazu verwendet wird, dm den Steuerstrom-Nebenstromweg zwischen der Steuerelektrode 4 und der Hilfssteuerelektrode 9 zu. bilden. Dies ist jedoch deshalb nicht wünschenswert, weil die bei der p-Basisschicht 5? die eine hohe Fremdatomkonzentration und einen geringen Widerstandswert aufweist, durchgeführte Oberflächenätzung während des Thyristor-Herstellungsvorganges dazu führt, dass der Widerstandswert des Nebenstromweg-Bereiches stark .schwankt, so dass sich dadurch auch eine grosse Schwankung des kleinsten Steuerstromes ergibt. Bei dem erfindungsgemässen Thyristor wird die unter den zweiten Bereichen liegende p-Basisschicht 5 als Thyri-stor Eg verwendet, der zusammen mit dem Widerstand Et- den ETebenstromweg bildet. Daher ist der kleinste Steuerstrom deshalb bei allen Thyristoren gleich, weil der Widerstandswert des Widerstandes Eg trotz der Oberflächenätzung, die an der p-Basisschicht 5 im "Verlauf der Thyristor-Herstellung durchgeführt wird, keine Schwankungen aufweist.

Nachfolgend soll der Zusammenhang bzw. die Beziehung zwischen dem Steuerstrom, der in den zweiten Bereichen 13 fliesst und dem Steuerstrom, der im ersten Bereich 14- des erfindungsgemässen Thyristors fliesst, beschrieben werden. Wenn der Steuerstrom durch den Bereich der p-Basisschicht 5> die unter dem ersten Bereich 14 liegt, fliesst und dabei der Spannungsabfall den inneren Spannungspegel V^ des pn-Übergangs J^ übersteigt, wird der Widerstand des pn-Übergangs J^ soweit verringert, dass er im Vergleich zum Widerstandswert des Widerstandes E2 vernachlässigbar ist und der konzentrierte Steuerstrom fliesst dann in den ersten Bereich 14 der Hilfs-n-Emitterschicht 62. Der Widerstandswert des Widerstandes Eg ist vorzugsweise so vorgegeben, dass der Spannungsabfall über dem Widerstand Eg, der auf

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Grund des durch den Bereich,der unter den zweiten Bereichen 13 liegenden p-Basisschicht 5 fliesst, den inneren Spannungswert V, des Überganges J-, auch dann nicht übrrsteigt, wenn der zum Einschalten des Hilfsthyristors 11 erforderliche Steuerstrom in den ersten Bereich 14 fliesst. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes Eg so festgelegt ist, so kann kein signifikanter Steuerstrom in die zweiten Bereiche 13 fliessen, d. h. der Wert des Steuerstromes, der durch die zweiten Bereiche 13 gebildeten Nebenstromweg fliesst, ist klein. Ein BetriebsSteuerstrom von beispielsweise 1 Ampere war erforderlich, um einen Thyristor mit einer kleinsten Steuerstromeinstellung von 20 mA in den leitenden Zustand zu versetzen, wie" dies zuvor beschrieben wurde. Es war dabei erforderlich, die Länge L der Hilfs-n-Emitterschicht 62 gegenüber der Steuerelektrode 4 um das Doppelte des ursprünglichen Wertes zu erhöhen, damit der kleinste Steuerstrom dieses Thyristors auf 40 mA, d. h. auf den doppelten Wert der ursprünglichen Einstellung erhöhe werden kann und dies macht es erforderlich, dass ein Betriebssteuerstrom von 2 Ampere angelegt werden muss- Bei der vorliegenden Erfindung kann der kleinste Steuerstrom leicht von 20 mA auf 40 mA erhöht werden, und zwar deshalb, weil ein sehr kleiner Steuerstrom von etwa 50 mA in den zweiten Bereichen 13 fliesst, wenn der Betriebssteuerstrom von 1 Ampere im ersten Bereich 14 fliesst, der als Endschicht des Hilfsthyristörs 11 dient. Daher ist lediglich ein Betriebssteuerstrom von etwa 1.05 Ampere erforderlich, um den erfindungsgemässen Thyristor in den leitenden Zustand zu versetzen.

Aus der Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, dass der kleinste Steuerstrom erhöht werden kann, ohne dass der Betriebssteuerstrom erhöht werden muss, der zum Einschalten des Hilfsthyristörs 11 erforderlich ist und eine fehlerhafte, falsche Zündung, die auf Grund von -Störströmen, welche zwischen der Steuerelektrode und der Kathode induziert bzw. auftreten können, kann sicher verhindert werden«

In den IFig. 8 und 9 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsfona der Erfindung dargestellt, die bei dem herkömmlichen Yerstär-

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kungsthyristor angewandt werden kann. In den FigJ 8 und 9 werden dieselben Bezugszeichen und Symbole verwendet, die bereits in den Pig- 6 und 7 enthalten sind.

Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die Hilfs-n-Emitterschicht 62 einen einzigen Bereich, der am Übergang 62a beginnt und sich von der Steuerelektrode 4 mit einer vorgegebenen wirksamen Breite VL weg erstreckt. Zwei voneinander beäbstandete, rechteckige Löcher 15 sind in dieser Hilfs-n-Emitterschicht 62 ausgebildet, die durch diese Schicht 62 hindurch eine Ausdehnung der entsprechenden Bereiche der p-Basisschicht 5 ermöglichen, so dass diese Ausdehnungen der p-Basisschicht 5 an der Hauptoberfläche 111 des Halbleitersubstrat es frei liegen. Dadurch sind zwischen diesen Bereichen der p-Basisschicht 5 und den zugehörigen Bereichen der Hilfs-n-Emitterschicht 62 zusätzliche pn-Übergänge ausgebildet.

Bei dem derart aufgebauten Thyristor fliesst der grössere Teil des von der Steuerelektrode 4 den Löchern 15· bereitgestellten Steuerstromes durch die Löcher 15 in die Hilfs-Steuerelektrode 9. Dieser Aufbau bietet die gleichen Vorteile wie der Aufbau, der· durch Vorliegen der Bereiche 13 mit kürzerer effektiver Breite erzielt wird, wie dies in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Die im wesentlichen zwischen dem Übergang 62a und den zusätzlichen Übergängen liegenden Bereiche nehmen entsprechend den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Bereichen 13 niit kürzerer wirksamer Breite den Steuerstrom auf und der Abstand zwischen dem Übergangs 62a und den zusätzlichen Übergängen entspricht der kürzeren, in den Fig. 6 und 7 dargestellten effektiven Breite W₂. Der Bereich, der sich mit der effektiven Breite W_x, erstreckt, ohne dass durch die zusätzlichen Übergänge Diskontinuitäten vorliegen, entspricht dem in Fig. 6 und 7 dargestellten Bereich 14.

Bei der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Enden 14a des Bereiches 14 senkrecht zur Steuerelektrode 4 und ein Teil des in der Nähe dieser Enden 14a

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des Bereiches 14 fliessenden Stromes kann in die 'Hilfs-Steuerelektrode 9 fliessen, ohne dass der Strom durch den Bereich hindurchgeht. Bei der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform besitzt der Bereich 14 keine solchen Enden. Daher fliesst der Steuerstrom mit gleichförmiger Dichteverteilung durch den Bereich 14, so dass ein zufriedenstellendes Einschalten des Thyristors gewährleistet ist.

In den Fig. 10 und 11 ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der die in den Fig. 8 und 9 gezeigten rechteckigen Löcher 15 durch zwei kreisförmige Löcher ersetzt sind. Die in den Fig. 10 und 11 dargestellte Ausführungsform weist dieselben Vorteile auf wie die in den Fig. 8 und 9 enthaltene Ausführungsform.

Vorstehend wurde die Anwendung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem Verstärkungsthyristor beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich auch in gleicher Weise bei einem Thyristor vom rückgekoppelten Steuerelektrodentyp (nachfolgend als Rückkoppelthyristor) anwendbar.

In den Fig. 12 und 13 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die bei einem Rückkoppel-Thyristor angewandt wird. In den Fig. 12 und 13 sind dieselben Bezugszeichen und Symbole wie in den Fig. 6 bis 11 verwendet. Bei diesem Rückkoppel-Thyristor ist in der n-Emitterschicht 6 eine zusätzliche Schicht 63 ausgebildet, die eine integrale Verbindung zwischen der Haupt-η-Emitterschicht 61 und der Hilfsn-Emitterschicht 62 schafft. Diese integrale Verbindung der Hilfs-n-Emitterschicht 62 mit der Haupt-n-Emitterschicht 61 durch diese zusätzliche Schicht 63 erhöht, die Grosse dV/dt des Thyristors. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in der Hilfs-n^Emitterschicht 62 zw3i voneinander beabstandete kreisförmige Löcher 15 ausgebildet, die die Steuerelektrode 4 im kreisförmigen Querschnitt konzentrisch umgeben und den Teilen der p-Basisschicht 5 entsprechen, die in diese Löcher hineinragen. In der Hilf s-n-Emitterschicht 62 sind durch Aus-

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bildung der Löcher 15 zusätzliche pn-Übergänge ausgebildet, die entsprechende Bereiche mit effektiven Breiten W^ und Up schaffen, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Die in den Fig. -und "13 dargestellte Ausführungsform-zeigt daher dieselben Vorteile wie die in den Fig. 8, 9 und 10, 11 gezeigten Ausführungsbeispiele.

In den Fig.14 und 15 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im Zusammenhang mit einem Verstärkungsthyristor verwendet wird, bei dem die Steuerelektrode 4 zwischen der Hilfs-n-Emitterschicht 62 und der Hauptn-Emitterschicht 61 liegt und der entsprechende Flächenbereich der p-Basisschicht 5 abgeätzt ist. In den Fig. 14 und 15 werden dieselben Bezugszeichen und Symbole wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel entspricht dem in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel insofern, als die Löcher 15 in der Hilfs-n-Emitterschicht 62 ausgebildet sind und zusätzliche pn-Übergänge in dieser Schicht 62 bilden. Die Vorteile dieser in den Fig. 14 und 15 dargestellten, erfindungsgemässen Ausführungsform sind auch dann vorhanden, wenn die Lage der Steuerelektrode 4 oder die Grosse der weggeätzten Fläche der p-Basisschicht 5 verändert wird.

Bei den in den Fig. 8 bis 15. dargestellten Ausführungsformen sind mehrere Löcher 15 zur Ausbildung der zusätzlichen Übergänge vorgesehen. Die Zahl dieser Löcher kann jedoch je nach Wunsch gewählt werden und es kann auch nur ein einziges Loch vorgesehen sein. Die Löcher bzw. das Loch können bzw. kann an allen geeigneten Stellen angeordnet sein, vorausgesetzt, dass der Widerstand R^ auf einen gewünschten Widerstandswert und die Bereiche 13 und 14 festgelegt werden können.

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Claims

Patentansprüche

1. j Thyristor, gekennzeichnet durch ein aus mehreren Schichten abwechselnden, unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehenden Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten und einer zweiten, sich gegenüberliegenden Hauptoberfläche (111, 112), wobei die erste Schicht (6), die an der ersten Hauptoberfläche (111) des Halbleitersubstrates (1) freiliegt, in einen ersten Teil (61) und einen zweiten Teil (62) unterteilt ist und der zweite Teil (62) eine kleinere Fläche als der.erste Teil (61) einnimmt, eine erste, auf der ersten Hauptoberfläche (111) liegende Hauptelektrode (2), die in ohmschen Kontakt mit dem ersten Teil (61) der ersten Schicht (6) steht, eine Steuerelektrode (4), die gegenüber des zweiten Teils (62) der ersten Schicht (6) auf der ersten Hauptoberfläche (111) liegt und mit der zweiten Schicht (5)» die an die erste Schicht (6) angrenzt_t in ohmschen Kontakt steht, eine Hilfs-Steuerelektrode (9), die in der Nähe wenigstens eines Teilbereiches des ersten Teiles (61) auf der ersten . Hauptoberfläche (111) aufliegt und mit der zweiten Schicht

(5) sowie wenigstens einem Teilb.ereich des zweiten Teils (62) der ersten Schicht (6) in ohmschem Kontakt steht, und eine zweite Hauptelektrode (5), die an einer vorgegebenen Stelle einer der ersten oder zweiten Hauptoberflächen (111, 112) liegt, wobei der zweite Teil (62) der ersten Schicht

(6) zwischen dem zweiten Teil (62) und der zweiten Schicht (5) einen Übergang (62a) festlegt, der sich gegenüber der Steuerelektrode (4) erstreckt und an einer Seite auf der ersten Hauptoberfläche (111) freiliegt, der zweite Teil (62) der ersten Schicht (6) einen ersten Bereich (14-), der sich von der Steuerelektrode (4) weg erstreckt und eine vom Übergang (62a) gemessene, vorgegebene, wirksame Breite (V-) besitzt, sowie einen zweiten Bereich (13) aufweist, der sich, an den ersten Bereich (14) angrenzend, von der Steuerelektrode (4) weg erstreckt und eine wirksame Breite

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(Vp) besitzt, die kleiner als die vom Übergang (62ä) gemessene, vorgegebene, wirksame Breite (Wp) ist.-

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (14) am Übergang (62a) beginnt und sich von der Steuerelektrode (4) weg über eine Entfernungeerstreckt, die der vorgegebenen, wirksamen Breite (VL) erstreckt, und dass der zweite Bereich (13) am Übergang (62a) beginnt und sich von der Steuerelektrode (4) weg über eine Entfernung erstreckt, die der kürzeren wirksamen Breite (W^) entspricht.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (13) auf beiden Seiten des ersten Bereiches (14) parallel zum Übergang (62a) liegt.

4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil der ersten Schicht (6) am Übergang (62a) beginnt und sich von der Steuerelektrode (4) weg über eine Entfernung erstreckt, die der vorgegebenen, wirksamen Breite (W,,) entspricht und wenigstens einen zusätzlichen Übergang aufweist, der zwischen der «rsten Schicht (6) und der zweiten Schicht (5) liegt, auf einer Seite an der ersten Hauptoberfläche (111) freiliegt und an einer Stelle ausgebildet ist, die vom Übergang (62a) mit einer Entfernung beabstandet ist, die der kürzeren effektiven Breite (Wp) entspricht, dass der erste Bereich (14)-ein Teilbereich des zweiten Teils (62) der ersten Schicht (6) ist, der sich erstreckt, ohne von dem zusätzlichen Übergang wesentlich unterbrochen zu werden, und dass der zweite Bereich (13) ein werterer Teilbereich -des zweiten Teils (62) der ersten Schicht (6) ist, der im wesentlichen zwischen dem Übergang (62a) und dem zusätzlichen Übergang liegt.

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5- Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Übergang so ausgebildet ist, dass die freiliegende Seite des Überganges ein ,...Rechteck bildet, dessen eine Seite sich parallel zum Übergang (62a) erstreckt (Fig. 8, 9).

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, dass zwei zusätzliche Übergänge durch Ausbildung von zwei Rechtecken (15) vorliegen, die miteinander in einer Richtung parallel zum Übergang (62a) liegen und voneinander um eine vorgegebene Entfernung beabstandet sind (Fig. 8, 9)·

7· Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Übergang so ausgebildet ist, dass die freiliegende Seite des Überganges einen Kreis (15) bildet (Fig. 10, 11)·.

8. . Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, und 7i dadurch

gekennzeichnet, dass mehrere zusätzliche Übergänge durch Ausbildung mehrerer Kreise (15) vorliegen, die miteinander in einer Eichtung parallel zum Übergang (62a) liegen und voneinander um eine vorgegebene Entfernung beabstandet sind (Fig. 10, 11).

9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Übergänge aus zwei Paaren von Kreisen (15) gebildet werden, die lagemässig so angeordnet sind, dass die Kreise (15) d^e<les Kreispaares voneinander um eine kleine Entfernung beabstandet sind und die Kreisp'aare voneinander um eine vorgegebene Entfernung beabstandet sind, die grosser als die Entfernung zwischen den Kreisen (15) in jedem Kreispaar ist <Fig. 10, 11).

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10. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (4) in einer zur ersten Hauptoberfläche (111) parallel liegenden Ebene einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, der "Übergang (62a) so ausgebildet ist, dass die freiliegende Seite des Überganges (62a) in Form eines Kreises vorliegt, der zu der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Steuerelektrode (4) konzentrisch liegt und der zusätzliche Übergang so ausgebildet ist, dass die ' freiliegende Seite des in Form eines Kreises ausgebildeten zusätzlichen Überganges auf einen Kreis liegt, der zu der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Steuerelektrode (4) konzentrisch ist (Fig. 12, 15).

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