DE2648159A1 - Thyristor mit emitterkurzschluessen und verwendung desselben - Google Patents

Thyristor mit emitterkurzschluessen und verwendung desselben

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    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083—Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0839—Cathode regions of thyristors

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Description

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Ka/Ca 20.9.76
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Thyristor mit Emitterkurzschlüssen und Verwendung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thyristor mit einem Gate und auf der' Kathodenfläche verteilten Emitterkurzschlüssen sowie die Verwendung eines solchen Thyristors .
Es ist aus J. Burtscher, E-. Spenke, "Kurzschlus,semitter und Thyristorzündung", Siemens Porschungs- und Entwicklungsberichte 3, S. 234-47 (1974) bereits bekannt, die unerwünschte Zündung eines Thyristors - vor allem bei Anlegen eines Spannungsanstieges (du/dt) - durch mehr oder weniger regelmässig verteilte Kurzschlüsse zwischen η -Emitter und p-Basis zu unterdrücken. Ausserdem ist es "bekannt, diesen Emitterkurzschlüssen in der Nähe des Gate (Zündelektrode) eine besondere Form zu geben oder sie geeignet anzuordnen, um, wie in der CH-PS 578 254 offenbart, die Entstehung der Zündfront zu steuern oder wie
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in der CH-PS 572 279 bzw. im Bericht von T.C. New, D.E. Cooper, "Turn-on characteristics of beam fired thyristors", JEEE Record IAS Conf. 8.-11.10.73, Milwaukee / Mich., pp. 259-265 beschrieben, die Ausbreitung 'der Zündfront zu erleichtern. Die Emitterkurzschlüsse erfüllen hierbei die Aufgabe, einen durch den Spannungsanstieg (du/dt) homogen über die ganze Thyristorfläche erzeugten Verschiebungsstrom abzuleiten. Falls die EmitterkürζSchlüsse annähernd homogen auf der Kathodenfläche verteilt sind, trifft auf jeden Kurzschluss im Innern der Kathodenfläche ein genau definierter Anteil dieses Verschiebungsstroms. Auf die Emitterkurzschlüsse an den Kathodenrändern entfallen jedoch noch zusätzliche Anteile am Verschiebungsstrom. So entsteht beispielsweise am gateseitigen Kathodenrand neben dem homogenen noch der unter dem Gate erzeugte zusätzliche Verschiebungsstrom. Aufgrund dieser inhomogenen Verteilung des gesamten Verschiebungsstromes über die Thyristor-Querschnittsfläche ist die Spannungsanstiegs (du/dt)-Festigkeit des ganzen Bauelements gering. Die Zündschwelle am Kathodenrand wird nämlich wegen des dort lokalisierten erhöhten Verschiebungsstromes viel früher erreicht als im Inneren der Kathodenfläche.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu vermeiden und einen Thyristor zu schaffen, der eine sichere Beherrschung des Verschie-
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bungsstroraes in kritischen Bereichen gestattet, so dass eine Zerstörung des Thyristors verhindert und bei steilen Spannungsanstiegen (du/dt) gewährleistet werden kann, dass die Zündschwelle an den Kathodenrändern nicht früher als in der Kathodenfläche erreicht wird.
Die zur Lösung dieser Aufgabe dienende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die in der Umgebung des Gate vorgesehenen Emitterkurzschlüsse in geringeren Abständen zueinander angeordnet sind als die auf der Kathodenfläche (des η -Emitters) zwischen diesen und dem gatefernen Kathodenrand befindlichen Emitterkurzschlüsse. (Die Abstände werden hierbei alle durch Messung der Entfernung vom Mittelpunkt eines Emi.tterkurzschlusses zum Mittelpunkt eines benachbarten Emitterkurzschlusses bestimmt).
Durch diese Massnahme wird der bei Anlegen eines Spannungsanstieges (du/dt) in Gatenähe auftretende - gegenüber dem in der Kathodenfläche fliessenden - erhöhte Verschiebungsstrom kompensiert und auch bei steilen Spannungsanstiegen (du/dt) eine verbesserte Zündfestigkeit des Thyristors erreicht.
Als günstig haiVsich herausgestellt, die Abstände der in der Umgebung des Gate vorgesehenen EmitterkurzSchlüsse zueinander etwa 1,5-5 mal kleiner zu wählen als die Ab-
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stände der in der Kathodenfläche verteilten Emitterkurzschlüsse. Durch eine derartige Wahl der Abstände wird eine besonders grosse Spannungsanstiegs-Festigkeit zusammen mit einer homogenen Zündbarkeit erzielt.
Zu empfehlen ist insbesondere auch, den Abstand der in unmittelbarer Nähe des Gate vorgesehenen Emitterkurzschlüsse vom gateseitigen Rand der Kathodenfläche so zu wählen, dass dieser Abstand etwa der Breite des ersten unter nor/ualen Zündbedingungen auftretenden Zündkanals entspricht. Eine Bestimmung der Breite des Zündkanals erfolgt beispielsweise gemäss A.A. Jaecklin "The first dynamic phase at turn-on", IEEE Trans. Electron Devices, ED-23 (Aug. 1976) durch optische oder elektrische Messmethoden. Thyristoren mit einer derartigen Verteilung der Emitterkurzschlüsse auf der Kathodenfläche zeichnen sich insbesondere bei einem Abstand der Kurzschlüsse vom Kathodenrand von etwa 100 - 500 um dadurch aus, dass die Ausbreitung der Zündfront nur schwach behindert wird und daher eine besonders homogene Zündbarkeit gewährleistet ist.
Eine zusätzliche Verbesserung der Zündbarkeit und der Spannungsanstiegs-Pestigkeit ist darüber hinaus aber auch dadurch zu erzielen, dass die in unmittelbarer Gatennähe vorgesehenen Emitterkurzschlüsse etwa gleiche Abstände voneinander aufweisen, und dass der Abstand der in unmittelbarer Nähe des Gate -vorgesehenen Emitterkurzschlüsse
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vom gateseitigen Rand der Kathodenfläche so gewählt ist., dass er mindestens die Hälfte des mittleren Abstandes der in unmittelbarer Gatenähe vorgesehenen Emitterkurzschlüsse voneinander beträgt.
Günstig auf die Zündbarkeit und die Spannungsanstiegs-Festigkeit wirkt es sich auch aus, die zwischen dem gatefernen Kathodenrand und den in Gatenähe angeordneten Emitterkurzschlüssen befindlichen Emitterkurzschlüsse auf der Kathodenfläche homogen und gleichmässig zu verteilen, wobei eine weitere Verbesserung der Thyristoren im Hinblick auf die vorstehend genannten Eigenschaften zusätzlich dadurch erzielt wird, dass der Abstand zwischen den am gatefernen Kathodenrand befindlichen Emitterkurzschlüssen kleiner ist als der Abstand zwischen den Emitterkurz-Schlüssen, die zwischen diesen und den in der Umgebung des Gate vorgesehenen Emitterkurzschlüssen angeordnet sind.
Daneben ist es auch vorteilhaft, allen Emitterkurzschlüssen annähernd gleiche, insbesondere kreisförmige oder polygonale Gestalt zu geben, da hierdurch der Verschiebungsstrom homogen kompensiert wird und somit die Zündbarkeit und die Spannungsanstiegs-Festigkeit erhöht werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
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schematisch wiedergegeben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Aufsicht auf den Gateraum eines mit einem kreisförmigen Gate versehenen Thyristors,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Thyristor nach Fig. 1 längs der Linie A-A^ und
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Aufsicht auf den Gateraum eines mit einem fingerförmigen Gate versehenen Thyristors.
In allen Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf gleiche Teile.
G ist das Gate (die Zündelektrode), in der Ausführungsform nach Fig. 1 in Gestalt einer zentralen, zylindrischen Zone. Dieser Bereich ist hoch p-dotiert (p ). Das Gate ist eingebettet in einer p-dotierten (p)-Schicht, welche eine entsprechende Ausnehmung.aufweist. In einiger Entfernung vom Gaterand beginnt dann, getrennt durch den Gategraben am Kathodenraum K -eine ringförmige Zone aus hochdotiertem η-Material (n ), welches den Emitter bildet. Der Emitter weist kreisförmige Ausnehmungen auf, in die hoch p-dotierte Emitterkurzschlüsse EK1 und EK eingelagert sind. Die EmitterkurgSchlüsse EK1, EK sind durch
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die sie umhüllende p-dotierte Schicht vom Emitter getrennt. Mit F ist die vom Emitter und den Emitterkurzschlüssen EK, EK' gebildete Kathodenfläche, mit M der innere Rand der die Kathodenfläche P fast vollständig bedeckenderiKathodenmetallisierung bezeichnet.
In allen Figuren ist der Rand des ρ -Gebietes mit einer ausgezogenen Linie, der Rand des η -Gebietes mit einer gestrichelten Linie bezeichnet. Etwas ausserhalb der η -Berandung verläuft der strichpunktiert dargestellte Rand M der Kathodenmetallisierung.
Es sind nun in Gatenähe kranzförmig angeordnete Emitterkurzschlüsse EK' von kreisförmiger Gestalt vorgesehen, die voneinander - gemessen vom Mittelpunkt des einen Kurzschlusses bis zum Mittelpunkt des benachbarten Kurz-Schlusses - den gleichen Abstand a aufweisen. Vom gateseitigen Kathodenrand K sind die Mittelpunkte dieser Kurzschlüsse EK1 im Abstand c angeordnet. Diesen Emitter-' kurzschlüssen EK' schliessen sich bis zum gatefernen Rand der Kathode hin nocTT/krexsformige, homogen über die Kathodenfläche P verteilte Emitterkurzschlüsse EK an, die voneinander - wiederum gemessen vom Mittelpunkt zu Mittelpunkt - und von den Emitterkurzschlüssen EK' den Abstand b aufweisen. ■ ·..
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Gemäss der Erfindung haben die kreisförmig, in Gatenähe angeordneten Emitterkurzschlüsse EKf einen geringeren. Abstand a zueinander als die 'in der Kathodenfläche P vorgesehenen Kurzschlüsse EK. Diese Verteilung der Emitterkurz-Schlüsse EK', EK nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch geeignete Kompensation des Verschiebungsstromes beim Anlegen einer äusseren Spannung u, die Spannungsanstiegs (du/dt)-Festigkeit in allen Punkten des Kathodenraums, also am gateseitigen Kathodenrand K wie auf der Kathodenfläche F, gleich wird.
In den .Ausführungsbeispielen nach der Fig. 1 beträgt der Abstand c zwischen den Emitterkurzschlüssen EKf am Gaterand und dem gateseitigen Kathodenrand K ca. 100 - 500 um. Da dieser Abstand in etwa der Breite des ersten Zündkanals entspricht, behindern die Kurzschlüsse die Ausbreitung der Zündfront nur schwach. Der Abstand a der Emitterkurz-. Schlüsse EK1 in Gatenähe beträgt höchstens das Doppelte des Abstandes c, also höchstens 200 - 1000 μχα3 um sowohl eine homogene Spannungsanstiegs-Festigkeit als auch eine homogene Zündbarkeit zu gewährleisten. Der Abstand b der Emitterkurzschlüsse EK in der Kathodenfläche beträgt etwa das 1,5 -5-fache des Abstandes a, also etwa 300 - 5000 pm.
Das gleiche Verteilungsprinzip kann nicht nur auf kreisförmige, sondern auch auf andere Gatestrukturen angewendet
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werden. So zeigt Pig. 3 einen nach der Erfindung ausgeführten Thyristor mit einem fingerförmigen Gate (Pingergate) Ebenso ist eine Anwendung der Lehre nach der Erfindung auf ein amplifying gate möglich. Bei einem solchen Thyristor mit innerer Zündverstärkung bringt die Massnahme nach der Erfindung ausserdem einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Dimensionierung von Zündschwelle und Gate-Geometrie. Durch eine gezielt niedrig gehaltene Spannungsanstiegs-Festigkeit am amplifying gate tritt bei einer in den anderen Bereichen der Kathodenfläche gleichmässigen Spannungsanstiegs-Festigkeit eine Zündung bei übermässigem Spannungsanstieg am amplifying gate ein, so dass eine Zerstörung des Thyristors vermieden wird.
Neben einem gateseitigen Kranz von Emitterkurzschlüssen ist auch ein dichter Kranz von Emitterkurzschlüssen am gatefernen Kathodenrand möglich.
Die Emitterkurzschlüsse können alle dieselbe Grosse und Gestalt haben. Neben der in der Zeichnung dargestellten Kreisform, können sie auch polygonale. - etwa rhombische-Form,wahlweise mit abgerundeten Ecken,aufweisen.
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Claims (9)

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    Patentansprüche
    Thyristor mit einem Gate und auf einer Kathodenfläche verteilten Emitterkurzschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Umgebung des Gate (G) vorgesehenen Emitterkurzschlüsse (EK1) in geringeren Abständen (a) zueinander angeordnet sind als die auf der Kathodenfläche (P) zwischen diesen und dem gatefernen Kathodenrand befindlichen Emitterkurzschlüsse (EK).
  2. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (a) etwa 1,5 - 5mal kleiner sind als die Abstände (b) der in der Kathodenfläche (F) verteilten Emitterkurzschlüsse (EK).
  3. 3» Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (c) der in unmittelbarer Nähe des Gate (G) vorgesehenen Emitterkurzschlüsse (EK1) vom gateseitigen Rand (K) der Kathodenfläche (F) etwa der Breite des ersten unter normalen Zündbedingungen auftretenden Zündkanals entspricht.
  4. 4. Thyristor nach Anspruch-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (c) etwa 100 - 500 /um beträgt.
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  5. 5. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in unmittelbarer Gatenähe vorgesehenen Emitterkurzschlüsse (EK') etwa gleiche Abstände (a) voneinander aufweisen, und dass der Abstand (c) mindestens die Hälfte des mittleren Abstandes (a) ist.
  6. 6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5a dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterkurzschlüsse (EK) auf der Kathodenfläche (F) gleichmässig verteilt sind.
  7. 7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den am gatefernen Kathodenrand befindlichen Emitterkurzschlüssen ■kleiner ist als der Abstand (b) zwischen den Emitterkurzschlüssen (EK), die zwischen diesen und den in.der Umgebung des Gate·(G) vorgesehenen Emitterkurzschlüssen (EK') angeordnet sind.
  8. 8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterkürzschlüsse (EK', EK) kreisförmige oder polygonale Gestalt und annähernd gleiche Abmessungen aufweisen.
  9. 9. Verwendung eines Thyristors nach Anspruch 1 als Thyristor mit innerer Zündverstärkung (amplifying gate).
    BBC Aktiengesellschaft , Brown, :Boveri & Cie.
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