DE7801743U1

DE7801743U1 - Anodenquerfeldemitter

Info

Publication number: DE7801743U1
Application number: DE7801743U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1977-12-21
Publication date: 1979-09-20

Description

Ar.odenquerfeldemitter.

Die Erfindung betrifft einen kathodenseitig steuerbaren Thyristor mit auf der Kathodenfläche verteilten Emitterkurzschlüssen.

Die heute verwendeten Zündanordnungen für Thyristoren beruhen praktisch alle auf einer geeigneten Strukturierung des Gate-Kathoden-Gebietes. Für derartige Anordnungen sind die Strukturparameter zur Einstellung des gewünschten Zündstroir.es bei vorgegebener Spannung- und Stromanstiegsgeschwindigkeit bekannt (vgl. z.B. Hartmann, in: IEEE ED-2 3, August 1976, S. 912 - 917). Durch technologische Beschränkungen und die gegenseitige Verkopplung verschiedener Eigenschaften ergeben sich bei der praktischen Ausführung jedoch Schwierigkeiten. Insbesondere muss für die Anordnung der an nächsten beim gateseitigen Kathodenrand liegenden Enitterkurzschlüsse ein Kompromiss gefunden werden zwischen genügender du/dt-Festigkeit und möglichst- grosser St-romanstiegsgeschwindigkeit, dl/dt.

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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Thyristor zu schaffe·!! mit dem es möglich ist, sowohl die gewünschten Zündströme als auch die dynamischen Werte für den Spannungs- und Stromanstieg auf einfache 1,'oise einzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Anode zone des Thyristors entlang ihrer oberseitigen Randzone zwei ar.einandergrenzende Bereiche unterschiedlicher Dotierung aufweist, dass der niedrigerdotierte Bereich mindestens dem gateseitigen Kath-denemitterrandbereich gegenüberliegt, und dass nur der höherdotierte Bereich mit einer Anodenmetallisierung versehen ist.

Durch diese Massnahmen wird erreicht, dass sich nicht - wie bei bekannten Thyristoren - unterhalb des gate^eitigen Kathodenrandes ein Zündkanal bildet sondern, dass die Zündung erst in dem Eereich des anodenseitigen hochdotierten Bereichsbzw. Metallisierungsrandes erfolgt, und zwar sowohl aufgrund des ohmschen elektrischen Feldes als auch aufgrund des begrenzten Injektionsvermögens. Infolge dieser Verlagerung des Zündkanals vom Kathodenrand zu inneren Kathodener.itterbereichen ergeben sich maximal noch zulässige Stromar.stiegsgesclrwindigkeiten, dl/dt, die mindestens um den Paktor 2 höher liegen können als dieses bei Thyristoren mit gleichmässig dotierter Anodenrandzone der Fall ist.

Eine derartig aufgebaute Anodenzone ist auch bei anderen Gatestrukturen wie Amplifying Gate und Junction Gate vorteilhaft verwendbar.

Besonders vorteilhaft hat sich der neue Thyristor bewährt, bei Thyristoren, bei denen die gatenächsten Emitterkurz-

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/ Schlüsse einen zusammenhängenden Ring bilden. Ausser der

grösseren Stromanstiegsgeschwindigkeit weisen derartige Thyristoren eine besonders hohe dU/dt-FestiGkeit auf. Allerdings würde bei herkömmlichen Thyristoren die sich ausbreitende Zündfront an dem Kurzschlussring aufgehalten und dadurch bei hohem dl/dt der Thyristor zerstört werden. Bei dem neuen Thyristor hingegen wird aufgrund der Tatsache, dass durch das beim Zünden an der Anode erzeugte Querfeld

.; die Löcherinjektion an den Rand des hochdotierten Bereiches

verlagert wird, der Kurzschlussring von der Zündfront über-

■■ sprungen. Voraussetzung ist allerdings, dass der höherdotierte Anodenbereich demjenigen Teil des Kathodenemitters gegenüberliegt, der sich ausserhalb des Emitterkurzschluss-

* ringes befindet.

15 Um die zulässige Strombelastung des Thyristors nicht merk-

lieh zu verändern, kanr. der Durchmesser des inneren Randes des höherdotierten Anodenbereiches nicht beliebig gross gewählt wei-den sondern er liegt vorzugsweise denjenigen Stellen des Kathodenemitters gegenüber, die sich zwischen

cien gatenächsten Emitterkurzschlüssen und den jeweils nächsten weiter aussen liegenden Kurzschlüssen befinden.

Sind die einzelnen Ercitterkurzschlüsse ringförmig um das Gate (Steuerelektrode) herum angeordnet, so liegt der innere Rand des höherdotierten Bereichs vorzugsweise jeweils denjenigen Stellen des Kathodenemitters gegenüber, die durch den von dem / Gatemittelpunkt gemessenen Abstand: R + D/2 definiert sind,

wobei R₅, den Abstand des Ringes auf dem die gatenächsten Smitterkurzschlüsse liegen bedeutet und mit D der Abstand bezeichnet ist zwischen R_c, und dem Ring R auf dem die jeweils nächsten Emitterkurzschlüsse liegen;

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Die vorgeschlagene Anordnung bietet also einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Dimensionierung von Gatestrukturen. Die Anordnung enthält überdies intern zünverstärkende Eigenschaften, wie sie auch der bekannte Kathoden-Querfeldemitter aufweist (vgl. j . Burtscher: Thyristoren mit innerer Zündverstärkung, in: Dynamische Probleme der Thyristorrechnik; VDE-Verlag (1971; S. 128 ff). Sie lässt sich darüber hinaus aber auch mit anderen bekannten Strukturen kombinieren, wie etwa mit einem Amplifying Gate oder mit einem Junction Gate (vgl. hierzu ebenfalls den vorstehend zitierten Aufsatz von J. Burtscher). Schliesslich kann die neue Anordnung - insbesondere in Verbindung mit dem Emitterkurzschlussring auch bei rückwärtsleitenden Thyristoren verwendet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des neuen Thyristors anhand der Zeichnung erläutert, aus denen weitere Vorteile der Erfindung hervorgehen.

Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt auf eine Draufsicht auf einen Thyristor mit einem symmetrisch zum Gate liegenden Emitterkurzschlussring (aus Gründen der Uebersicht wurde die Kontaktmetallisierung der Kathode und des Gates weggelassen) ;

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Fig. 2 eine Schnittzeichnung durch den Thyristor nach Fig. 1 längs der Linie s-s in vergrösserter Darstellung und mit Kathoden-, Anoden- und Gatekontaktmetallisierung;

Fig. 3 den Dotierungsverlauf für einen Thyristor nach Fig. 2.

. Fig. 4 eine Schnittzeichnung durch einen Thyristor mit Junction Gate.

In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.

In Fig. 1 sind mit 1 das Gate, mit 2 die Kathodenemitterzone , mit 3 der Emitterkurzschlussring und mit 4 einzelne Emitterkurzschlusspunkte bezeichnet. Zwischen dem gateseitigen Emitterzonenrand 5 und dem Rand des Gates 1 ist ein Teil der P-Basiszone sichtbar., in die das hochdotierte (p -) Gate 1 eingeDettet ist (vgl. auch Fig. 2). Der Abstand der dem Emitterkurzschlussring 3 nächsten Kurzschlüsse 4 kann grosser sein, als der Abstand der weiter aussen liegenden Emitterkurzschlüsse 4 voneinander.

Die Zonenfolge und die Struktur der Anodenzone 6 sowie die Struktur der Kontaktmetallisierung von Gate, Emitter- und Anodenzone sind aus Fig. 2 ersichtlich. Dabei ist die Anodenmetallisierung mit 11 gekennzeichnet. Die p-dotierte Anodenzone 6 weist an ihrer oberseitigen Randzone die Bereiche 7 und 8 auf, wobei die Störstellenkonzcntration an der Oberfläche der Halbleiterscheibe im Bereich 7 hoch, hingegen im Bereich 8 wesentlich geringer ist.

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Der Rand 9 des hochdotierten (p -) Bereichs 7 liegt geraäss der Erfindung etwa gegenüber denjenigen Stellen 10 des
Emitters 2, die durch den Abstand R^⁺ D/2 vom Gatemittelpunkt definiert sind.

Fig. 3 zeigt ein Dotierungsprofil (Störstellenkonzentration als Funktion der Eindringtiefe), wie es beispielsweise bei den neuen Thyristoren verwendet werden kann. Die Dicke der Halbleiterscheibe des Thyristors beträgt 450 /im. Die Störstellenkonzentration an der anodenseitigen Oberfläche ist im Bereich 7 etwa 5 * 10 Atome/cm , im Bereich 8 etwa 5 · Atome/cm . Die Störstellenkonzentrationen an der kathodengateseitigen Oberfläche ist sowohl in den Emitterbereichen (n -Dotierung) als auch in den Emitterkurzschluss- und
Gatebereich (p -Dotierung) etwa 10 Atome/cm . Die Tiefe der jeweiligen Dotierung gemessen von der kathodenseitigen Oberfläche beträgt für das Gate 1 und den Kathodenemitter 2Y15 yum. Die laterale Struktur (vgl. Fig. 1 und 2) wies bei diesem Thyristor folgende Werte auf:

Abstand vom Mittelpunkt des Gates bis

- zum Rand des Gates (Rp) : 1500 yum

- zum Rand des Emitters (FL,) : l800yum

- zur Mitte des Kurzschlussringes (R_Q ) : 2300/am

- zur Mitte der nächsten Emitterkurzschlüsse (R_c ):

Breite des Emitterkurzschlussringes (b) : 200yUm

Durchmesser des einzelnen Kurzschlusslochs (d): 200/um Durchmesser des niedrigdotierten Bereichs (D.) : 5700 jum

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Die dem Emitterkurzschlussring 3 nächsten l8 Kurzschlusslöcher 4 werden gleichmässig auf dem Ring mit dem Abstand R_Q vom Gatemittelpunkt angeordnet. Von diesem Ring aus

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können die weiter aussen liegenden Emitterkurzschlüsse 4 eine hexagonale Anordnung aufweisen. Die Entfernung der einzelnen Emitterkurzschlüsse 4 voneinander soll dabei nicht mehr als 1200 um betragen.

Die mit diesem Thyristor gemessene noch zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit, dl/dt j betrug 300 A/us und war damit mehr als doppelt so hoch wie bei gleich dimensionierten Thyristoren mit normaler Gateanordnung und gleicher Kathodenrandlänge.

B¹Ig. 4 zeigt eir v/eiteres Ausführungsbeispiel: Einen Thyristor mit eine.-n sogenannten Junction Gate, d.h. einem Gate mit η -Dotierung. Der EmitLerkurzschlussring 3 liegt in diesem Fall dem Gate 1 näher als der gateseitige Kathodenrand 5₅ wodurch eine besonders hohe dU/dt-Festigkeit erzielt wird. Das Dotierungsprofil entsprach im wesentlichen dem in Fig. 3 wiedergegebenen Profil. Für die laterale Struktur ergaben sich folgende Werte:

Abstand vom Mittelpunkt des Gates bis

- zum Rand des Gates (R ) + 1500 um

- zum ρ -Emitterschlussring, innen (Rpi: l600 um

- zum ρ -Emitterkurzschlussringj aussen (Rpa) : 1750 jum - zum η -Kathodeninnenrand (Rp,) : l800 /um

- zur Mitte der nächsten Emitterkurzschlüsse (R„ ) : 3000 yum

Durchmesser des niedrigdotierten Bereichs (D ) : 4500 /um

Auf dem Ring mit dem Radius R werden 16 Kurzschlusslöcher

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gleichmässig angeordnet- Der Durchmesser eines einzelnen Kurzschlusslochs 4 beträgt wiederum 200 /um.

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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Thyristoren mit kreissymmetrischen Gate- und Emitterstrukturen beschränkt sondern kann beispielsweise auch bei Thyristoren mit fingerförmigem oder quadratischem Gate ve: sndet werden.

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Claims

^ BBC Baden Schutz ansprüche

1. Kathodensatig steuerbarer Thyristor mit auf der Kathodenfläche verteilten Emitterkurzschlüssen, dadurch gekenn-. zeichnet, dass die Anodenzone (6) des Thyristors entlang ihrer oberseitigen Randzone zwei aneinandergrenzende Bereiche (7,8) unterschiedlicher Dotierung aufweist, dass der niedrigerdotierte Bereich (8) mindestens dem gateseitigen Kathodenemitterrandbereich gegenüberliegt, und dass nur der höherdotierte Bereich (7) mit einer Anodenmetallisierung (11) versehen ist.

2. Thyristor naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der höheräotlarte Bereich (7) demjenigen Teil des Kathodenemitters (2) gegenüberliegt, der sich ausserhalb des durch die Verbindung der gatenächsten Emitterkurzschlüsse bildenden Polygonzugs befindet.

3· Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Emitterkurzschlüsse ringförmig um das Gate herum angeordnet sind, und dass der innere Rand (9) des höherdotierten Bereichs (7) jeweils denjenigen Stellen des Kathodenemitters (10) gegenüberliegt, die durch den von dem Gatenmittelpunkt gemessenen Abstand R +D/2 definiert sind, wobei R der mittlere Abstand des Ringes auf dem die gatenächsten Emitterkurzschlüsse liegen bedeutet und mit D der Abstand bezeichnet ist, zwischen R^ und dem Ringrliuf dem die jeweils nächsten Emitterkurzschlüsse liegen,

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4. Thyristor nach Anspruch 2 und 3₃ dadurch gekennzeichnet, dass die gatenächsten Emitterkurzschlüsse einen zusammenhängenden Ring (3) bilden.

5. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, lass
. die dem Emitterkurzschlussring (3) nächsten Emitterkurzschlüsse (¹J) einen Abstand aufweisen, der grosser ist
als der Abstand zwischen den weiter aussen liegenden
Emitterkurzscr' üssen (4).

6. Thyristor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor ein Amplifying Gate aufweist.

7. Thyristor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor ein Junction Gate aufweist.

8. Thyristor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor ein rückwärtsleitender Thyristor ist.

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