DE3853852T2 - Thyristoren. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Thyristoren und insbesondere den Schutz von Thyristoren während der ungünstigen Einschaltbedingungen vor der "Erholungszeit".
• Ein Thyristor wird durch Anlegen eines Strompulses an eine Gate-Elektrode eingeschaltet. Dies resultiert darin, daß die Emitter-Basis-Verbindung an der Kathode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und eine Leitung durch die Vorrichtung in einem leitenden Massenvolumen zwischen der Hauptkathode und der Anode stattfindet, wobei dies als Vorwärtsleitung bekannt ist. Ein Abschalten des Thyristors und eine nachfolgende "Erholung" werden erzielt, indem eine Sperr-Vorspannung über die Anoden- und Kathodenelektroden der Vorrichtung angelegt wird, um einen Stromfluß unterhalb des Thyristorhalteniveaus zu reduzieren. Der Stromfluß durch den Thyristor nimmt zunächst auf Null ab (bekannt als Null-Strom) und wird dann negativ, wenn Ladungsträger in der Vorrichtung extrahiert werden und sich die Verarmungsschicht der rückwärts sperrenden Verbindung bildet. Bei einem Null-Strom enthält die Vorrichtung nach wie vor Ladungsträger in ihren Basisregionen, die nicht leicht entfernt werden können, sobald sich die Verarmungsschicht der sperrenden Verbindung bildet. Derartige Ladungsträger rekombinieren mit einer Rate, die durch die Trägerlebensdauern der Basisregionen bestimmt ist.
• Wenn nun eine positive Spannungsrampe über den Thyristor zu irgendeinem Zeitpunkt nach einem Null-Strom angelegt wird, wird ein Verschiebungsstrcm erzeugt, der einen Betrag aufweist, welcher durch die Anstiegsrate der Spannungsrampe und die Vorwärtsverbindungskapazität bestimmt ist. Wenn die Spannung über die Vorrichtung null Volt erreicht, beginnt jegliche nichtrekombinierte Ladung damit, aus den Basisregionen zu fließen: die Summe aus dem extrahierten nichtrekombinierten Ladungsstrom und dem Verschiebungsstrom ist zusammen als der Vorwärtserholungsstrom bekannt und kann den Thyristor zurück in einen Vorwärtsleitungszustand triggern. Wichtig dabei ist, daß der Betrag dieses Stromes von der Menge nichtrekombinierter Ladung, die nach wie vor in den Basisregionen des Thyristors zum Zeitpunkt des Anlegens der positiven Spannungsrampe verbleibt, und der Anstiegsrate der Spannungsrampe abhängt. Wenn der Vorwärtserholungsstrom klein ist, wird der Thyristor nicht eingeschaltet, und die Spannung über den Thyristor steigt weiterhin an. Jedoch kann der Vorwärtserholungsstrom groß genug sein, um zu bewirken, daß die Basis-Emitter-Verbindung ausreichend in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, so daß der Thyristor eingeschaltet wird. Wenn eine große Menge nichtrekombinierter Ladung nach wie vor in den Basisregionen beim Anlegen der Spannungsrampe existiert, findet das Einschalten recht gleichförmig über den Thyristor statt. In diesem Fall resultiert die relativ niedrige Energiedissipationsdichte darin, daß der Thyristor in nichtdestruktiver Weise eingeschaltet wird. Jedoch kann ein Problem entstehen, wenn eine positive Spannung zu einem Zeitpunkt nach einem Null-Strom angelegt wird, wenn lediglich ein paar nichtrekombinierte Träger nach wie vor in den Basisregionen der Vorrichtung verbleiben. In dieser Situation könnte das Einschalten in lediglich einem kleinen Volumen des Thyristors stattfinden, wodurch die dissipierte Energie bewirken könnte, daß die kleine anfängliche eingeschaltete Region so heiß wird, daß die Vorrichtung zerstört wird. Dies kann selbst dort geschehen, wo die Anstiegsrate der Spannungsrampe relativ klein ist. Für einen gegebenen Zustand einer positiven Spannungsrampe ist die minimale Zeit zwischen einem Null-Strom und dem Punkt, an dem eine Spannung von null über dem Thyristor auftritt, so daß das Einschalten nicht stattfindet, als die "Thyristor-Erholungszeit" bekannt.
• Frühere Verfahren zum Verhindern einer Beschädigung des Thyristors während derartiger ungünstiger Einschaltbedingungen, wenn eine Spannung kurz nach dem Anlegen einer Sperr- Vorspannung, jedoch vor dem Ende der Thyristor-Erholungszeit erneut angelegt wird, verwendeten eine kostspielige externe Schaltungsanordnung, um die anzulegende positive Rampenspannung und die Vorspannung auf der Vorrichtung in herkömmlicher Weise zu überwachen, bevor eine Beschädigung auf treten konnte. Jedoch ist eine derartige Schaltungsanordnung komplex und potentiell unzuverlässig.
• Die japanische Patentanmeldung JP-A-59-141269 beschreibt ein Verfahren zum Schützen eines Thyristors unter einem Kommutationsfehler durch die Verwendung eines Hilfsthyristors, dessen Trägerlebensdauer länger ist als diejenige des Hauptthyristors. Durch Auswählen der Trägerlebensdauern innerhalb der Hilfs- und Hauptthyristorregionen werden die relativen Widerstände des Ein-Zustandes der zwei Regionen so ausgewählt, daß der Hilfsthyristor weiterhin im normalen Ein-Zustand leitet und sich dann nach der Hauptthyristorregion erholt, um für den Schutz zu sorgen.
• Ein weiteres Problem, welches auftreten kann, ist das falsche Einschalten der Vorrichtung, wenn eine übermäßige Anode-nach-Kathode-Spannung angelegt wird, was als Kippspannungs-Einschalten bezeichnet wird. Die US-Patentanmeldung US 4 165 517 befaßt sich mit dem Schutz gegen ein Kippspannungs-Einschalten, was durch eine selektive Steuerung der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer in der Gate-Region erzielt wird, wodurch eine vorhersagbare Lage der Kippspannung in der Gate-Region geschaffen wird.
• Die vorliegende Erfindung strebt danach, einen Thyristor zu schaffen, der einen verbesserten Schutz gegen diesen ungünstigen Einschaltzustand aufweist.
• Gemäß dieser Erfindung wird ein Thyristor mit einer Region relativ langer Trägerlebensdauer (12) im Vergleich zu derjenigen eines leitenden Massenvolumens geschaffen, wobei die Region innerhalb näherungsweise vier Trägerdiffusionslängen von dem leitenden Massenvolumen entfernt angeordnet ist, so daß während der Leitung genügend Ladungsträger in die Region aus dem leitenden Massenvolumen gelangen, wodurch unter ungünstigen Einschaltbedingungen vor dem Ende der Thyristor-Erholungszeit ein anfängliches Einschalten an der Region stattfindet. Die Lage der Region und ihre geometrischen Abmessungen müssen für eine optimale Leistung sorgfältig ausgewählt werden. Indem ein Bereich relativ langer Trägerlebensdauer gemäß der Erfindung vorgesehen wird, ist es möglich, sicherzustellen, daß das Einschalten in dieser Region initiiert wird, und daß somit der Thyristor geschützt wird gegen ein destruktives Einschalten, nachdem die Leitung durch das leitende Massenvolumen einen Null-Strom erreicht hat. Es hat sich herausgestellt, daß vorteilhafterweise die relativ lange Trägerlebensdauer näherungsweise das zwei- oder mehrfache der Trägerlebensdauer in dem leitenden Massenvolumen beträgt.
• In früheren Vorrichtungen hätten derartige ungünstige Einschaltbedingungen, bei denen eine positive Spannungsrampe eine kurze Zeit nach einem Null-Strom angelegt wird, ein teilweises Einschalten in dem leitenden Massenvolumen mit einer möglichen Beschädigung ergeben. Das Anlegen einer derartigen Spannungsrampe zu diesem Zeitpunkt über einen Thyristor gemäß der Erfindung jedoch resultiert darin, daß das Einschalten in der Region relativ langer Trägerlebensdauer initiiert wird, wo genügend nichtrekombinierte Träger existieren, um für das Einschalten zu sorgen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine verstärkende Gate-Anordnung mit integralen Strombegrenzungswiderständen verwendet, um eine Beschädigung der Region zu verhindern und das Einschalten des Rests des Thyristors zu gestatten.
• Die Region ist eng an dem leitenden Massenvolumen innerhalb näherungsweise vier Trägerdiffusionslängen von diesem angeordnet. Jedoch könnte dies keine geeignete Lage aufgrund von Konstruktions- und/oder Herstellungszwängen sein. Vorteilhafterweise kann daher eine Zwischenzone langer Trägerlebensdauer vorgesehen werden, die zwischen der Region und dem leitenden Massenvolumen angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht, daß die Region langer Lebensdauer, in der das anfängliche Einschalten während ungünstiger Einschaltbedingungen stattfindet, geringfügig weiter von dem leitenden Massenvolumen entfernt positioniert wird, als es andernfalls durchführbar wäre, da Ladungsträger, die in die Zwischenzone aus dem leitenden Massenvolumen gelangen, für eine Zeit existieren, die für sie ausreicht, um die Zone zu der Region zu überqueren, wo das Einschalten stattfindet. Es hat sich herausgestellt, daß sich die Region in jedem Fall innerhalb näherungsweise vier Trägerdiffusionslängen von dem leitenden Massenvolumen befinden sollte.
• Vorzugsweise ist die Region derart, daß eine kleinere Ladungsträgerdichte als diejenige des leitenden Massenvolumens erforderlich ist, damit das Einschalten stattfindet. Dies kann dadurch erzielt werden, daß dafür gesorgt wird, daß der Leitungsweg durch di e Region kürzer ist als derjenige durch das leitende Massenvolumen. Beispielsweise können eine Emitterregion und eine Metallisierungsschicht an der Region darin eingelassen werden, um eine "Vertiefungs"-Konfiguration zu bilden. Die Region ist somit eine Region hoher Stromverstärkung.
• Vorzugsweise ist ein Strombegrenzungswiderstand vorgesehen und benachbart der Region angeordnet. Der Stromfluß durch den anfänglichen eingeschalteten Bereich kann dann eingeschränkt werden, und schädlich hohe Stromdichten können verhindert werden. Vorzugsweise ist die Region von Strombegrenzungswiderständen umgeben.
• Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Regionen relativ langer Trägerlebensdauer vorgesehen. Diese können so verteilt sein, daß sie ein gleichförmigeres Einschalten über die gesamte Vorrichtung ergeben. Außerdem ist es durch Vorsehen einer Vielzahl derartiger Regionen wahrscheinlich, daß sich wenigstens eine Region benachbart dem letzten Teil der Hauptkathode befindet, um die Leitung zu beenden, und daß somit die Ladungsträger in dieser Region für eine maximale Zeit existieren, nachdem die Leitung beendet worden ist.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung die Schritte, daß ein Teil eines Halbleiterkörpers dort maskiert wird, wo erwünscht ist, eine Region relativ langer Trägerlebensdauer vorzusehen, und daß eine größere Dichte von Schadensstellen in dem unmaskierten Abschnitt als in dem maskierten Teil erzeugt wird. Die Schadensstellen könnten durch anerkannte Verarbeitungstechniken wie Elektronenbestrahlung erzeugt werden. Die Trägerlebensdauer könnte alternativ modifiziert werden, indem beispielsweise maskierte Gold- oder Platin-Diffusion verwendet wird.
• Die Erfindung wird nun weiter beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, in welcher die einzige Figur schematisch einen Thyristor gemäß der Erfindung zeigt.
• Nach der Figur umf aßt ein Thyristor eine Hauptkathodenelektrode 1 und eine Anodenelektrode 2, zwischen welchen Strom während der Leitung durch die Vorrichtung fließt. Eine n-Emitterregion 3 ist benachbart der Kathodenelektrode 1 angeordnet und bildet eine Verbindung J3 mit einer p-Basisregion 4. Eine p-diffundierte Anodenregion 5 ist benachbart der Anodenelektrode 2 angeordnet, und eine n-Basisregion 6 liegt zwischen den zwei p-Basisregionen 4 und 5.
• Um eine Leitung zu initiieren, wird ein Strom an eine Gate- Elektrode angelegt, und dieser fließt durch die p-Basisregion 4 zur Kathode 1. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die Verbindung J3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und Elektronen in die p-Basisregion 4 aus der n-Emitterregion 3 injiziert werden. Die Elektronen werden über eine der Verbindung J2 zugehörige Verarmungsschicht hinweg zwischen der p-Basisregion und der n-Basisregion 6 beschleunigt. Elektronen diffundieren durch die n-Basisregion 6 und verursachen eine Lochinjektion aus der p-Basisanode 5, und eine Leitung findet durch den Thyristor statt. Es ist wünschenswert, daß das leitende Massenvolumen zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 eine relativ kurze Trägerlebensdauer in der Umgebung der Verbindung J2 zwischen der p-Basisregion 4 und der n-Basisregion 6 aufweist. Dann, wenn eine Sperr-Vorspannung über den Thyristor angelegt wird, um ihn auszuschalten, ist eine relativ rasche Rekombination mit einer entsprechend kurzen Erholungszeit vorhanden.
• Anschließend an eine Kommutation des Thyristors (d. h. wenn die Vorspannung umgekehrt wird) fließt ein umgekehrter Erholungsstrom, bis Träger aus der rückwärts sperrenden Verbindung J1 ausgeschlossen worden sind und sich die Verarmungsschicht bildet. Überschüssige Träger verbleiben in den Basisregionen 4 und 6 und rekombinieren mit einer Rate, die durch ihre Lebensdauern in diesen Regionen bestimmt ist.
• Der Thyristor umf aßt einen Hilfsthyristor 8, der von der Hauptkathode 1 durch einen Strombegrenzungswiderstand 9 getrennt ist. Der Hilfsthyristor 8 umfaßt eine Metallisierungsschicht 10 und eine n-Emitterregion 11.
• Der Thyristor umf aßt außerdem eine Region langer Lebensdauer, die bei 12 angedeutet ist und sich innerhalb etwa vier Trägerdiffusionslängen von dem leitenden Massenvolumen zwischen der Hauptkathode 1 und der Anode 2 in einer Entfernung a befindet. In dem in der Figur gezeigten Thyristor ist die n-Basisregion 6 in der Region 12 langer Lebensdauer so angeordnet, daß sie eine relativ lange Trägerlebensdauer aufweist, die näherungsweise das zweifache der Trägerlebensdauer in dem leitenden Massenvolumen beträgt. Eine Zwischenzone 13, die ebenfalls eine lange Trägerlebensdauer aufweist, befindet sich zwischen der Region 12 und dem leitenden Massenvolumen und weist in dieser Ausführungsform näherungsweise die gleiche Trägerlebensdauer wie die Region 12 auf. Die Zwischenzone 13 grenzt an die Region 12 und befindet sich weniger als eine Trägerdiffusionslänge von dem leitenden Massenvolumen entfernt. Eine metallisierte Oberflächenschicht 14 und eine n-Emitterregion 15 sind an der Region 12 langer Lebensdauer vorgesehen, wodurch eine Thyristorstruktur höherer Verstärkung gebildet wird, die über einen p-Basis-Nebenschluß 16 und einen Strombegrenzungs widerstand 17 mit dem Hilfsthyristor 8 verbunden ist, der sich an der Zwischenzone 13 befindet.
• Nach einem Null-Strom, jedoch vor dem Ende der Erholungszeit, rekombinieren die Ladungsträger langsamer in der Region 12 langer Lebensdauer und der Zwischenzone 13 als in dem leitenden Massenvolumen. Somit sind kurz vor dem Ende der Thyristor-Erholungszeit nach wie vor viele nichtrekombinierte Träger in der Region 12 und der Zone 13 vorhanden, wohingegen wenige innerhalb des leitenden Nassenvolumens verbleiben. Wenn eine positiv verlaufende Spannungsrampe über dem Thyristor angelegt wird, so daß dieser in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und zwar vor dem Ablauf der Thyristor-Erholungszeit, fließen viele Löcher durch die p-Basis 4 unterhalb der n-Emitterregion 15 der Region 12 hoher Stromverstärkung und langer Lebensdauer. Dies bewirkt, daß die p-Basis-n-Emitter-Verbindung an der Region 12 langer Lebensdauer in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wodurch ein Einschalten an diesem Teil der Vorrichtung initiiert wird. Die begrenzenden Widerstände 9 und 17 gewährleisten, daß der Stromfluß durch den anfänglich kleinen eingeschalteten Bereich in der Region 12 langer Lebensdauer unterhalb schädlich hohen Niveaus gehalten wird. Der durch die Region 12 langer Lebensdauer fließende Strom schaltet dann den Rest der Vorrichtung über den Hilfsthyristor 8 ein. Obwohl lediglich eine Region langer Lebensdauer gezeigt worden ist, kann es vorteilhaft sein, wenn eine Vielzahl derartiger Regionen über die ganze Vorrichtung verteilt vorhanden sind.
• Die Regionen 12 und 13 langer Trägerlebensdauer werden unter Verwendung bekannter Verarbeitungstechniken während der Herstellung des Thyristors erzeugt. Der Halbleiterkörper, auf welchem der Thyristor gebildet wird, weist anfangs durchweg lange Trägerlebensdauern auf. Während der Herstellung wird beispielsweise eine Metallmaskierungsschicht auf die Thyristoroberfläche über diejenigen Bereiche gelegt, bei denen eine lange Trägerlebensdauer belassen werden soll. Der Körper wird dann beispielsweise mit einem Elektronenstrahl hoher Energie (2-10 MeV) bestrahlt. Die Bestrahlung bewirkt, daß Schadensstellen an unmaskierten Teilen des Substrats erzeugt werden. Die Schadensstellen wirken als Rekombinationszentren, und die Trägerlebensdauern werden daher in dem unmaskierten Abschnitt reduziert.

Claims (14)

1. Ein Thyristor mit einer Region relativ langer Trägerlebensdauer (12) im Vergleich zu derjenigen eines leitenden Massenvolumens, wobei sich die Region innerhalb näherungsweise vier Trägerdiffusionslängen von dem leitenden Massenvolumen befindet, so daß während der Leitung genügend Ladungsträger in die Region von dem leitenden Massenvolumen gelangen, wodurch unter ungünstigen Einschaltbedingungen vor dem Ende der Thyristor-Erholungszeit ein anfängliches Einschalten an der Region stattfindet.

2. Ein Thyristor wie in Anspruch 1 beansprucht, mit einer Zwischenzone (13) langer Trägerlebensdauer, die zwischen der Region (12) und dem leitenden Massenvolumen angeordnet ist.

3. Ein Thyristor wie in Anspruch 2 beansprucht, worin die Zwischenzone (13) an die Region (12) grenzt und weniger als eine Trägerdiffusionslänge von dem leitenden Massenvolumen entfernt angeordnet ist.

4. Ein Thyristor wie in Anspruch 2 oder 3 beansprucht, mit einem Hilfsthyristor (8), der an der Zwischenzone (13) angeordnet ist.

5. Ein Thyristor wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin die Region (12) derart ist, daß eine kleinere Ladungsträgerdichte als diejenige des leitenden Massenvolumens für ein Stattfinden des Einschaltens erforderlich ist.

6. Ein Thyristor wie in Anspruch 5 beansprucht, worin der Leitungsweg durch die Region (12) kürzer ist als derjenige durch das leitende Massenvolumen, wodurch eine hohe Stromverstärkung in der Region erzeugt wird.

7. Ein Thyristor wie in Anspruch 6 beansprucht, worin sich die Region (12) in einer Vertiefungskonfiguration befindet.

8. Ein Thyristor wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin dafür gesorgt ist, daß der Strom, der aus dem anfänglichen Einschalten an der Region (12) resultiert, ein Einschalten an dem leitenden Massenvolumen über ein verstärkendes Gate initiiert.

9. Ein Thyristor wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

mit einem Strombegrenzungswiderstand (17), der benachbart der Region angeordnet ist.

10. Ein Thyristor wie in Anspruch 9 beansprucht,

mit einer Vielzahl von Strombegrenzungswiderständen (17), die so angeordnet sind, daß sie die Region umgeben.

11. Ein Thyristor wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

mit einer Vielzahl von Regionen (12) relativ langer Trägerlebensdauer.

12. Ein Thyristor wie in Anspruch 11 beansprucht, worin die Vielzahl von Regionen so angeordnet ist, daß, wenn ein Einschalten an einer Region stattfindet, ein anschließendes Einschalten des leitenden Nassenvolumens im wesentlichen gleichförmig stattfindet.

13. Ein Thyristor wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin die relativ lange Trägerlebensdauer näherungsweise das zwei- oder mehrfache der Trägerlebensdauer in dem leitenden Massenvolumen beträgt.

14. Ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristors wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, welches den Schritt umfaßt,

daß ein Teil eines Halbleiterkörpers dort maskiert wird, wo das Vorliegen einer Region relativ langer Trägerlebensdauer erwünscht ist, indem der Halbleiterkörper mit Elektronen hoher Energie bestrahlt wird, wodurch eine größere Dichte von Schadensstellen in dem unmaskierten Abschnitt als in dem maskierten Teil erzeugt wird.