DE4439012A1

DE4439012A1 - Zweirichtungsthyristor

Info

Publication number: DE4439012A1
Application number: DE19944439012
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Roggwiller; Dirk Dr Sinerius
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 1996-05-09

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungs halbleiterbauelemente. Sie geht aus von einem Zweirich tungsthyristor nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Ein solcher Zweirichtungsthyristor oder bidirektionaler Thyristor wird schon im Europäischen Patent EP-B1-0 110 551 oder im Amerikanischen Patent US 4,982,261 beschrie ben. Es handelt sich dabei um einen lichtzündbaren, bidi rektional leitenden Thyristor bzw. um einen Triac.

Solche Elemente weisen in einem Halbleitersubstrat zwei antiparallel geschaltete Thyristorstrukturen auf. Das heißt die Anode der einen Struktur ist mit der Kathode der anderen verbunden und vice versa. Den vorstehend ge nannten Strukturen ist gemeinsam, daß nur ein Kontakt für die Einspeisung des Steuerpulses (Licht oder Strom) vorgesehen ist. Dies ergibt jedoch eine asymmetrische An steuerung. Deshalb sind die bidirektionalen Thyristoren oder Zweirichtungsthyristoren nach dem Stand der Technik für höhere Blockierspannungen (größer als ca. 1000 V) ungeeignet. Auch mit einer Erhöhung der Bauelementdicke erreicht man keine höheren Blockierspannungen, denn die Probleme der asymmetrischen Ansteuerung verstärken sich nur.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwei richtungsthyristor anzugeben, welcher auch für höchste Blockierspannungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Zweirichtungsthyristor der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten An spruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß für jede Thyri storstruktur eine eigene Steuerelektrode vorgesehen ist und die Thyristorstrukturen durch ein Trenngebiet elek trisch voneinander entkoppelt sind. Die Steuerelektroden und Trenngebiete sind dabei auf beiden Hauptflächen vor gesehen.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Thyristorstrukturen eine NPNP-Struktur mit einem n+ do tierten Kathodenemitter, einer p dotierten p-Basis, einer n dotierten n-Basis und einem p dotierten Anodengebiet. Im Anodengebiet ist zudem ein p+ dotierter Anodenemitter vorgesehen. Das Trenngebiet wird nun auf der ersten Hauptfläche durch die p-Basis der ersten Thyristorstruk tur bzw. durch das Anodengebiet der zweiten Thyri storstruktur gebildet und auf der zweiten Hauptfläche durch die p-Basis der zweiten Thyristorstruktur bzw. das Anodengebiet der ersten Thyristorstruktur. Das Trennge biet entkoppelt jeweils die Anode der einen Thyri storstruktur von der Steuerelektrode der jeweils anderen Thyristorstruktur. Um eine gute Entkopplung zu erzielen, sind die Trägerlebensdauern im Trenngebiet so gewählt, daß die Diffusionslänge für Träger etwa einen Zehntel der Breite des Trenngebietes beträgt.

Das Halbleitersubstrat weist vorzugsweise die Form einer runden Scheibe auf. In diesem Fall sind die Steuerelek troden der beiden Thyristorstrukturen auf den jeweiligen Hauptflächen im wesentlichen im Mittelpunkt der Scheibe angeordnet (Zentralgate). Außerdem kann eine verstär kende Gatestruktur mit einem Hilfsthyristor vorgesehen sein (Amplifying Gate). Dadurch wird der Zündstrom ver stärkt und gleichmäßig über die Bauelementfläche ver teilt.

Das Trenngebiet und die Anode, welche auf einer gemeinsa men Hauptfläche angeordnet sind, nehmen ungefähr die Hälfte der Bauelementoberfläche in Anspruch.

Ein Gehäuse, das für den Thyristor nach der Erfindung speziell gut geeignet ist weist zwei Steueranschlüsse auf, welche versetzt angeordnet sind.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den ent sprechenden abhängigen Ansprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß durch die Entkopplung der beiden Thyristorstrukturen eine Reduktion der Zündempfindlichkeit durch einen all fälligen parasitären Strompfad zwischen den Strukturen minimal gehalten werden kann. Zudem verhindert die Ent kopplung ein unkontrolliertes, wechselseitiges Zünden der Strukturen. Da für jede Thyristorstruktur zudem eine ei gene Steuerelektrode vorgesehen ist, erhält man nach der Erfindung einen bidirektionalen Thyristor, der auch für höchste Blockierspannungen sicher eingesetzt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Aufsicht eines Zweirichtungsthyristors nach der Erfindung;

Fig. 2 Eine Darstellung des Dotierungsprofils eines Zweirichtungsthyristors nach der Erfindung;

Fig. 3 Einen Ausschnitt des Gatebereichs eines erfin dungsgemäßen Zweirichtungsthyristors;

Fig. 4 Einen Ausschnitt eines Gehäuses, das für einen erfindungsgemäßen Thyristor geeignet ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenge faßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Aufführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Zweirichtungsthyristor 1. Mit 6 ist die Anode einer er sten Thyristorstruktur bezeichnet, 8 bezeichnet die Steuer- oder Gateelektrode einer zweiten Thyristorstruk tur, 5 die Kathode der zweiten Thyristorstruktur, 7 das Trenngebiet zwischen den zwei Thyristorstrukturen und 20 eine verstärkende Gatestruktur (Amplifying Gate) mit fin gerförmigen Fortsetzungen. Fig. 1 zeigt also deutlich, daß bei einem erfindungsgemäßen Thyristor zwei Thyri storstrukturen vorgesehen sind, welche durch ein Trennge biet voneinander entkoppelt sind.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt um den zentralen Gatebe reich eines erfindungsgemäßen Thyristors im Schnitt. Me tallisierungen sind mit von oben rechts nach unten links verlaufenden Linien schraffiert, n-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden Doppelli nien und p-dotierte Gebiete mit von oben links nach unten rechts verlaufenden einfachen Linien. Dichter schraf fierte Gebiete weisen im allgemeinen eine höhere Dotie rungsdichte auf als die weniger dicht schraffierten Ge biete.

Zwischen einer ersten 2 und einer zweiten Hauptfläche 3 ist ein Halbleitersubstrat 4 vorgesehen, welches mehrere unterschiedlich dotierte Schichten und Gebiete umfaßt. Die Schichten und Gebiete bilden zwei Thyristorstruktu ren. Die Funktionsweise dieser Thyristorstrukturen ist seit langem bekannt und braucht deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Eine Thyristorstruktur um faßt eine Kathode, eine Anode und eine Steuerelektrode. Zwischen der Kathode und der Anode ist eine NPNP Vier schichtstruktur vorgesehen. Im folgenden wird erläutert, welche Funktion die dargestellten Schichten und Gebiete aufweisen und wie zwei Thyristorstrukturen in ein Halb leitersubstrat integriert werden können.

Die zwei Thyristorstrukturen sind antiparallel angeordnet und werden durch ein Trenngebiet 7 voneinander entkop pelt. Somit ist auf der ersten Hauptfläche 2 die Kathode 5 einer ersten, in Fig. 2 in der rechten Hälfte der Figur dargestellten Thyristorstruktur sowie die Anode 6 ei ner zweiten Thyristorstruktur vorgesehen. Auf der zweiten Hauptfläche 3 ist es selbstverständlich genau umgekehrt.

Die Kathode 5 wird durch eine Metallisierung gebildet, welche einen n+ dotierten Kathodenemitter 9 bedeckt. Der Kathodenemitter 9 ist in eine p dotierte p-Basis 10 ein gelassen. In Richtung der Anode 6 folgt auf die p-Basis 10 eine n-Basis 11 und ein p dotiertes Anodengebiet 12. Im Anodengebiet 12 ist ein p+ dotierter Anodenemitter 13 vorgesehen, welcher von einer die Anode 6 bildende Metal lisierung überdeckt wird. In der p-Basis 10 ist außerdem ein p+ dotiertes Gategebiet 14 vorgesehen. Dieses wird von einer zentral angeordneten Gate- oder Steuerelektrode 8 kontaktiert.

Die oben erläuterte Struktur ist für jede Thyristorstruk tur vorhanden. Die beiden Thyristorstrukturen können in ein gemeinsames Halbleitersubstrat 4 integriert werden, indem die p-Basis 10 der einen Struktur als Anodengebiet 12 der anderen und umgekehrt dient. Es sind außerdem zwei Steuerelektroden 8 und entsprechende Gategebiete 14 vorgesehen, wovon die eine auf der ersten Hauptfläche 2 und die zweite auf der zweiten Hauptfläche 3 angeordnet ist.

Dadurch, daß zwei separate Steuerelektrode vorgesehen sind, werden die Nachteile der asymmetrischen Ansteue rung, wie sie z. B. bei Triacs auftreten, vermieden. Damit zudem die gegenseitige Beeinflussung der Thyristorstruk turen möglichst vermieden werden kann - andernfalls müß te mit unkontrollierten, wechselseitigen Zündungen auf grund von zu steilen Spannungsflanken (dV/dt) gerechnet werden -, ist ein Trenngebiet 7 vorgesehen. Dieses ent koppelt die beiden Thyristorstrukturen und vermeidet die Bildung eines Kurzschlusses durch den am Gate 8 einge prägten Strom zur danebenliegenden Anode 6. Um eine mög lichst effektive Entkopplung zu erreichen, sollte die Trägerlebensdauer im Trenngebiet 7 gegenüber den übrigen Halbleiterschichten und Gebieten lokal reduziert werden. Als Maß dafür kann die Regel, daß die Diffusionslänge im Trenngebiet kleiner als 1/19 der Breite dieses Trenn gebiets sein soll, angegeben werden:

Beim Zünden kann ein Abfluß des eingeprägten Gatestromes zur danebenliegenden Anode 6 von ca. 50-100 mA toleriert werden. Dies ergibt einen Schichtwiderstand der p-Basis im Trenngebiet von ungefähr 5 kOhm/sqr. Dieser Wert ist verträglich mit der Forderung, daß sich die Raumladungs zone bei voller Belastung in der p-Basis nicht bis zur Oberfläche ausbreiten kann. Gute Ergebnisse wurden mit Trenngebietbreiten von ca. 3 mm erreicht.

Die Trägerlebensdauern und Dotierungen der übrigen Halb leiterschichten und Gebiete entsprechen den für Thyristo ren üblichen Werten. Fig. 2 zeigt schematisch ein axia les Dotierungsprofil. Die Werte der einen Thyristorstruk tur sind gestrichelt, diejenigen der anderen ausgezogen dargestellt. Im folgenden wird der Verlauf anhand ausge zogenen Kurve erläutert. Von links ist zunächst die Do tierung des n+ Kathodenemitters 9 dargestellt (ca. 10¹⁹ cm³). Darauf folgt die p-Basis 10, die n-Basis 11, das p dotierte Anodengebiet 10 und schließlich ganz rechts der p+ dotierte Anodenemitter 13. Für den strich lierten Verlauf sind die Verhältnisse natürlich genau um gekehrt.

Mit Vorteil wird zwischen der Kathode 5 und der Steuer elektrode 8 eine verstärkende Gatestruktur (Amplifying Gate) 20 angeordnet. Das Amplifying Gate umfaßt ein halbringförmiges n+ dotiertes erstes Gebiet 15, in wel chem inselförmige, p+ dotierte zweite Gebiete 16 vorgese hen sind. Diese bilden einen Hilfsthyristor 15, welcher den am Zentralgate 8 angelegten Zündstrom verstärkt. Mit 16 sind die dazugehörigen Kurzschlußgebiete bezeichnet (p+ dotiert). Die Funktion eines Amplifying Gate ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und braucht nicht weiter erläutert zu werden. Zur besseren Verteilung des am Gate angelegten Zündstromes können zudem finger förmige, p-dotierte Gate-Fortführungen vorgesehen werden. Das Amplifying Gate 20 mit den fingerförmigen Fortführun gen werden von einer gemeinsamen Metallisierung über deckt.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Kathodenemitter 9 mit p+ dotierten, inselförmigen Kurzschlußgebieten 17 durchsetzt ist.

Als Gehäuse kann für den erfindungsgemäßen Thyristor ein übliches Keramikgehäuse verwendet werden. Ein Ausschnitt davon ist in einer Aufsicht in Fig. 4 dargestellt. Es sind mehrere metallene Kontaktscheiben sowie Flansche dargestellt. Außerdem sieht man, wie die Steueran schlüsse versetzt angeordnet sind. Dies ist im Hinblick auf eine einfache Kontaktierung von Vorteil.

Insgesamt steht also mit der Erfindung ein Zweirichtungs thyristor zur Verfügung, der sicher auch bei höchsten Blockierspannungen betrieben werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Zweirichtungsthyristor
2 erste Hauptfläche
3 zweite Hauptfläche
4 Halbleitersubstrat
5 Kathode
6 Anode
7 Trenngebiet
8 Gate- oder Steuerelektrode
9 Kathodenemitter
10 p-Basis
11 n-Basis
12 Anodengebiet
13 Anodenemitter
14 Gategebiet
15 Hilfsthyristor des Amplifying Gate
16 Kurzschlußgebiete des Hilfsthyristors
17 Kurzschlußgebiete
18 Gehäuse
19 Steueranschluß
20 Amplifying Gate

Claims

1. Zweirichtungsthyristor (1) umfassend zwischen einer ersten und einer zweiten Hauptfläche (2 und 3) ein Halbleitersubstrat (4), welches zwei Thyristorstruk turen mit je einer Kathode (5) und einer Anode (6) aufweist, wobei die Kathode (5) der ersten Thyri storstruktur der ersten Hauptfläche (2), die Anode (6) der ersten Thyristorstruktur der zweiten Haupt fläche (3), die Kathode (5) der zweiten Thyri storstruktur der zweiten Hauptfläche (3) und die An ode (6) der zweiten Thyristorstruktur der ersten Hauptfläche (2) zugeordnet ist, dadurch gekennzeich net, daß auf beiden Hauptflächen (2, 3) zwischen den beiden Thyristorstrukturen ein Trenngebiet (7) vor gesehen ist und daß auf beiden Hauptflächen (2, 3) eine Steuerelektrode (8) vorgesehen ist, wobei die jenige der ersten Hauptfläche (2) der ersten Thyri storstruktur zugeordnet ist und diejenige auf der zweiten Hauptfläche (3) der zweiten Thyristorstruk tur.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Thyristorstrukturen eine NPNP-Struktur um fassen mit je einem n+ dotierten Kathodenemit ter (9), einer p dotierten p-Basis (10), einer n dotierten n-Basis (11) und einem p dotierten Anodengebiet (12), wobei das Anodengebiet (12) der einen Thyristorstruktur der p-Basis (11) der anderen entspricht und in den Anodengebie ten (12) ein p+ dotierter Anodenemitter (13) ausgebildet ist,
b) die Kathode (5), die Anode (6) durch Metalli sierungen gebildet werden, welche den Kathoden bzw. Anodenemitter (9 bzw. 13) kontaktieren, und
c) die Steuerelektroden (8) Metallisierungen um fassen, welche ein p+ dotiertes, in der p-Basis (10) angeordnete Gategebiet (14) kontaktieren.

3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trenngebiet (7) auf der ersten Hauptfläche (2) durch die p-Basis (10) der ersten Thyri storstruktur bzw. durch das Anodengebiet (12) der zweiten Thyristorstruktur gebildet wird und auf der zweiten Hauptfläche (3) durch die p-Basis (10) der zweiten Thyristorstruktur bzw. das Anodengebiet (12) der ersten Thyristorstruktur, wobei das Trenngebiet (7) die Anode (6) der einen Thyristorstruktur und von der Steuerelektrode (8) der jeweils anderen Thy ristorstruktur entkoppelt.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trenngebiet eine reduzierte Trägerlebens dauer aufweist, welche insbesondere so eingestellt ist, daß eine Diffusionslänge für Ladungsträger etwa einem Zehntel des Abstandes zwischen der Anode (6) der einen Thyristorstruktur und der Steuerelek trode (8) der jeweils anderen Thyristorstruktur be trägt.

5. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (4) die Form einer run den Scheibe hat und die Steuerelektroden (8) der beiden Thyristorstrukturen auf beiden Hauptflächen (2, 3) im wesentlichen im Mittelpunkt der Scheibe an geordnet sind.

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) der einen Thyristorstruktur zu sammen mit dem Trenngebiet (7) und die Steuerelek trode (8) zusammen mit der Kathode (5) der anderen Thyristorstruktur je etwa eine Hälfte einer Haupt fläche umfassen.

7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Thyristorstruktur eine verstärkende Gatestruktur (20) vorgesehen ist, welche zwischen der Steuerelektrode (8) und der Kathode (5) einer Thyristorstruktur angeordnet ist und ein n+ dotier tes halbringförmiges, in der p-Basis angeordnetes erstes Gebiet umfaßt, welches einen Hilfsthyristor (15) bildet und in welchem inselförmige, p+ dotierte erste Kurzschlußgebiete (16) vorgesehen sind.

8. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenemitter (9) mit p+ dotierten, in selförmigen Kurzschlußgebieten (17) durchsetzt ist.

9. Thyristor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenemitter (9) mit zweiten, p+ dotier ten, inselförmigen Kurzschlußgebieten (17) durch setzt ist.

10. Thyristor nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Thyristor in ein Ge häuse (18) mit zwei Steueranschlüssen (19) inte griert ist, wobei die Steueranschlüsse (19) versetzt angeordnet sind.