DE2210386A1

DE2210386A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE2210386A1
Application number: DE19722210386
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1972-03-03
Publication date: 1973-09-06
Also published as: FR2173913A1; JPS48104477A; SE382284B; NL7302892A; IT979520B; GB1376480A; AT318077B; CA981805A; FR2173913B1; CH551692A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, ~ 3. MRZ 1972

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Thyristor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit mehreren pn-Übergängen und mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, d. h. einem ersten Emitter, einer ersten Basis, einem zweiten Emitter, und einer zweiten Basis, mit einer Emitterelektrode am ersten Emitter und einer Basiselektrode an der ersten Basis, mit mindestens einem durch die Emitterelektrode gebildeten Nebenschluß zwischen erstem Emitter und erster Basis.

Solche Thyristoren sind allgemein bekannt. Sie weisen drei pn-Übergänge auf, von denen zwei in Sperrichtung gepolt sind, wenn an der Hauptstrecke des Thyristors Spannung in Sperrichtung anliegt. Ist der erste Emitter z. B. η-leitend und der zweite" ' Emitter p-leitend, dann ist der zwischen erstem Emitter und erster Basis und der zwischen zweitem Emitter und zweiter Basis liegende pn-übergang dann in Sperrichtung gepolt, wenn das Potential am ersten Emitter positiv gegenüber dem Potential am zweiten Emitter ist. Wird die Sperrspannung erhöht, so tritt zuerst am pn-übergang zwischen zweitem Emitter und zweiter Basis ein Lawinendurchbruch auf. Ein Lawinendurchbruch des pn-Übergangs zwischen erstem Emitter und erster Basis tritt dagegen bei dieser Sperrspannung noch nicht ein, da ein Teil des Sperrstroms über den erwähnten Nebenschluß zur Emitterelektrode abfließt. Ein Durchbruch des letztgenannten pn-Übergangee wird erst dann eintreten, wenn die Sperrspannung durch einerstark ansteigenden Sperrstrom noch weiter erhöht wird. An welcher Stelle dieses pn-Überganges ein Durchbruch stattfindet, hängt von der Anordnung und Größe der Nebenschlüsse und von der Anwesenheit und Verteilung von Inhomogenitäten der Dotierung in Halbleiterkörper ab. In einer älteren Anmeldung

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wurde bereits der Vorschlag gemacht, für Thyristoren solche Halbleiterscheiben auszuwählen, bei den die Dotierung der zweiten Basis in der Mitte höher als am Rand ist. Ein Lawinendurchbruch des hochsperrenden pn-Uberganges findet dann unter der Basiselektrode statt.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß u. IT. ein großer Teil des Lawinenstroms nicht direkt in den ersten Emitter fließt, sondern seinen Weg über die Basiselektrode nimmt und erst dann in den ersten Emitter fließt. Dies ist insbesondere, aber nicht ausschließlich dann der Fall, wenn die zweite Basis de? Thyristors im Zentrum stärker dotiert ist und der Durchbruch des genannten pn-Uberganges schon bei niedrigeren Spannungen einsetzt als in den v/eiter sun Rand hin liegenden Teilen des Halbleiterkörper. Der über die Basiselektrode fließende Teil des Sperrstroms führt seinerseits zu einem Lawinendurchbruch des zwischen erstem Emitter und erster Basis liegenden niedrig sperrenden pn-Uberganges an der Überfläche des Halbleiterkörpers. Da da3 Sperrverhalten des pn-Uberganges örtlich verschieden sein kann, besteht die Gefahr, daß sich der Lawinenstrom auf wenige Punkte konzentriert, die dann thermisch überlastet und zerstört werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß bei Anlegen einer Sperrspannung eine Zerstörung des zwischen den ersten Emitter und der ersten Basis liegenden pn-Uberganges vermieden v/ird, ohne daß jedoch das ZUndverhalten ungünstig beeinflußt wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Emitter und der Basiselektrode mindestens eine weitere Zone des gleichen Leitungstyps wie der erste Emitter liegt, daß diese weitere Zone mit der Basiselektrode elektrisch

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verbunden ist, und daß die' Emitterelektrode auf der der weiteren Zone gegenüberliegenden Seite mit der Basis elektrisch verbunden ist.

Zwischen dem ersten Emitter und der Basiselektrode können mehrere weitere Zonen vorgesehen sein, die untereinander den gleichen Abstand aufweisen. Ist die Basiselektrode kreisförmig ausgebildet und in einer Aussparung der Emitterelektrode

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angeordnet, weisen die weiteren Zonen untereinander zweckmäßigerweise den gleichen Winkelabstand auf. Die weiteren Zonen können zungenförriig ausgebildet sein, wobei die erste Basis Aussparungen aufweist, in die die weiteren Zonen hineinragen können. Die Breite der weiteren Zonen ist, um den Zündvorgang möglichst wenig zu stören, klein gegen die Länge des zwischen erstem Emitter und erster Basis liegenden pn-Überganges. Sie richtet sich nach der Höhe der abzuführenden Sperratröme und sollte zweckmäßigerweise nicht mehr als ein Drittel der Länge dieses pn-Uberganges ausmaflien. Der erste Emitter kann auch der Hilfsemitter eines Thyristors mit innerer Zündverstärkung sein.

Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper eines bekannten Thyristors,
Figur 2 und 3 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper eines

Thyristors gemäß der Erfindung, Figur 4 die Aufsicht auf einen Halbleiterkörper gemäß Figur

und 3 und
Figur 5 und 6 die Aufsicht auf weitere Ausführungsbeispiele.

In Figur 1 ist ein Halbleiterkörper eines bekannten Thyristors mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps gezeigt. Der erste Emitter ist mit 1, die erste Basis mit 2, die zweite Basis mit 3 und der zweite Emitter mit 4 bezeichnet. Der erste

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Emitter 1 ist mit einer Elektrode 5 versehen, die außen elektrisch mit der ersten Basis 2 verbunden ist. Die Basis 2 weist eine Basiselektrode 6 und der zweite Emitter eine Elektrode 7 auf. Der zwischen dem ersten Emitter und der ersten Basis liegende pn-übergang ist mit 8 bezeichnet. Der zwischen zweitem Emitter und zweiter Basis liegende pnübergang trägt die Bezugsziffer 9. Die Zonen 1 bis 4 weisen der Reihe nach die Leitungstypen η, ρ, η, ρ auf. Die zweite Basis weist einen Bereich 10 auf, der einen z. B. 251* niedrigeren spezifischen Widerstand als die übrige Basis hat. Wird an die Elektrode 5 positives und an die Elektrode 7 negatives Potential angelegt, ist der Thyristor gesperrt. Bei Steigerung der Spannung bricht der pn-übergang 9 in Bereich 10 durch. Bei der angegebenen Polarität fließt von der Elektrode 5 ein Teil des Sperrstrome in Richtung auf die Basiselektrode 6 zu. Dies ist durch einen ausgezogenen Pfeil dargestellt. Mit wachsender Sperrspannung wächst dieser Sperretrom an, was zu einem erhöhten Spannungsabfall am pn-übergang θ führt. Wächst die am pn-übergang 8 abfallende Spannung" bis zur Durchbruchspannung, z. B. 30 V, an, so bricht dieser pn-übergang durch und es fließt ein Lawinenstrom direkt von der Elektrode 5 zur Basiselektrode 6, wie dies durch einen gestrichelten 3" eil angedeutet ist. Da die Durchbruchspannung des pn-überganges 8 im allgemeinen nicht überall gleich ist und der Lawinenstrom mit der Spannung steil ansteigt, kann dieser Strom sich auf einen engen Bereich konzentrieren, wodurch dieser thermisch überlastet und zerstört wird.

It Halbleiterkörper nach Figur 2 ist zwischen der Emitterelektrode 5 und der Basiselektrode 6 eine v/eitere Zone 11 angeordnet. Der Leitungstyp der Zone 11 entspricht dem des ersten Emitters 1. Die weitere Zone 11 ist mit der Basiselektrode 6 und die Emitterelektrode 5 ist auf der der weiteren Zone 11 gegenüberliegenden Seite mit der ersten Basie 2 elek- · trisch verbunden. Dies kann z. B. durch Metallisieren des Randbereiches des ersten Emitters 1 erreicht werden. Zwischen der

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weiteren Zone 11 einerseits und der ersten Basis 2 liegt ein pn-übergang 14. Bei einer npnp-Zonenfolge ist die weitere Zone 11 tob negativen und die Basis 2 vom positiven Leitungstyp. Der pn-übergang 14 ist daher bei Anlegen einer Sperrspannung in Durchlaßrichtung gepolt. Der zur Basiselektrode 6 fließende Anteil des Sperratromes flisSt nun von der Emitterelektrode 5 durch den pn-übergang 14 in die weitere Zone 11 zur Basiselektrode 6,

Dieser erzeugt daher nur einen we?³εentlich geringeren Spannungsabfall am pn-übergang 8, als wenn der Strom am Emitter 1 vorbeifließen würde. Damit wird eil) Lawinendurohbruch des pn-Uberganges 8 vermieden.

Beim Thyristor in Figur 3 liegt an der Emitterelektrode 5 negatives und an der Elektrode 7 positives Potential. Ära Thyristor liegt somit Spannung in I-urehlaßrlehtiuig ϋ.η. An der Basiselektrode 6 liegt ebenfalls positives Potential* Der von der Basiselektrode 6 ausgehende Zündstrom 1st durch Pfeile eingezeichnet« Ein Teil des Zündstrosie fließt, zur Erlitterelektrode 5 ab und träkt 3θ:ιΐΐ sun Auslesen ties ZUiKivorganges nichts bei. Dieser ieil ies Zundofcroros :L?t jadoo/i gegenüber den zun ersten Jini ^ter 1 iliüßenrien Str-cni- sehr gering, da dieser einen geringeren B^hir-n aers tuj>i \^v ixnd&t als der direkt zur Emitterelektrode 5 fließende Strom

In Pigur 4 ist eine Aufsicht auf die Anordnung 'lacr, Pigur 2 und 3 gezeigt. Die weitere Zone 11 ist hier zungenförmig ausgebildet und ragt in eine Ausnehmung 16 hinein, die im ersten Emitter 1 vorgesehen ist. Dabei ist die 3one 11 e rsas aoliisalsr als die Ausnehmung 16, "Dazwischen liegen Kanäle 17* B3 reicht aus, wenn die Kanäle z, B, etwa 200 /ii breit sind« Idsse 'SiIi.en einen relativ hohe-: Bahnwirt/erstanti, so daß der d.u';oli eineri ge punkteten Pfeil angedeutete Teil des -von der BaaIηelektrode ausgehender Streue vernadlil.äi^iigtar klein bleibt»

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Es ist auch möglich, statt einer breiten weiteren Zone mehrere schmale weitere Zonen im Halbleiterkörper anzuordnen. Diese werden zweckmäßigerweise so angeordnet, daß alle untereinander den gleichen Winkelabstand haben. Dadurch wird der Aufbau und auch das Zündverhalten der Anordnung symmetrisch. Liegt die Basiselektrode am Rand des Halbleiterkörpers, ζ. Β. in einer Ausnehmung, so werden die weiteren Zonen zweckmäßigerweise so angeordnet, daß sie untereinander den gleichen Abstand haben.

In Figur 5 ist die Aufsicht auf einen Halbleiterkörper eines sog. "amplifying-gate" Thyristors, d. h. eines Thyristors mit innerer Zündverstärkung, gezeigt. Ein solcher Thyristor unterscheidet sich von einem normalen Thyristor dadurch, daß er einen Hilfsemitter aufweist, dessen Laststroia als Zündstrom für den Hauptemitter dient. Der Einfachheit halber wird zur Erläuterung angenommen, daß der Hilfsemitter dem ersten Emitter 1 im vorherigen Ausführungsbeispiel entspricht. Dann entspricht die Punktion de-s Hilfsthyristors dem Thyristor nach den vorhergehenden Auüführungsbeispiel. Der Thyristor weist einen Hauptemitter 22 auf, der mit einer Hauptemitterelektrode 20 verbunden ist. Der erste Emitter 1 weist einen zungenförmigen Fortsatz 18 auf, der eich bis in die Nähe der Hauptemitterelektrode 20 erstreckt. Die erste Basis 2 weist eine Ausnehmung 19 auf, die unter die Hauptemitterelektrode reicht. Zwischen dem Fortsatz 18 und em Hauptemitter 22 sind zwei Kanäle 21 vorgesehen, die z. B. 200/U breit sind. Diese Kanäle 21 haben den gleichen Zweck wie die Kanäle 17 nach Figur 4. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, mehrere weitere Zonen sowohl zwischen der Basiselektrode 6 und der Emitterelektrode 5 als auch zwischen der Emitterelektrode 5 und der Hauptemitterelektrode 20 vorzugsweise radialsymmetrisch vorzusehen. (Fig.6) In diesem Fall sollte das Verhältnis von der Breite aller weiteren Zonen zur Länge des pn-Überganges 8 nicht größer als 1:3 sein.

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Die weiteren Zonen des Thyristors können s. B. durch die bekannte Oxydmaskentechnik hergestellt werden.

8 Patentansprüche 6 Figuren

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Claims

1.)yThyristor mit mehreren pn-Übergängen und mindestens vier Zonen abwechselnden leitungstyps, d. h. einen ersten Eraitter, einer ersten Basis, einen zweiten Emitter und einer zweiten Basis, mit einer Emitterelektrode am ersten Emitter und einer Basiselektrode an der ersten Basis, mit mindestens einem durch die Emitterelektrode gebildeten Nebenschluß zwischen ersten Emitter und erster Basis, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Emitter (1) und der Bed. 6 elektrode (6) mindestens eine weitere Zone (11) des gleichen Leitunpetyps wie der erste Emitter (1) liegt, daß diese weitere Zone (11) mit der Basiselektrode (6) elektrisch verbunden ist, und daß die Emitterelektrode (5) auf der der weiteren Zone gegenüberliegenden Seite mit der ersten Basis (2) verbunden ist·

2.) Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Emitter (1) und der Basiselektrode (6) mehrere weitere Zonen vorgesehen sind, die untereinander den gleichen Abstand aufweisen.

3.) Thyristor nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Basiselektrode (6) kreisförmig ausgebildet iet und in einer Aussparung der Emitt-erelektrode (5) sitzt und daß die weiteren Zonen (11) untereinander den gleichen Winkelabetand aufweisen»

4.) Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennze lehnet , daß die weiteren Zonen (11) zungenförraig ausgebildet sind und daß die erste Basis (2) Aussparungen (16) aufweist, in die die weiteren Zonen hineinragen.

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5.) Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der weiteren Zonen (11) klein gegen die Länge des ^wischen ersten Emitter und erster Basis liegenden pn-Überganges (8) ist.

6.) Thyristor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , da3 die Breite der weiteren Zonen zusammen höchstens ein Drittel der Länge des pn-Überganges (8) ist.

7.) Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche _t dadurch gekennzeichnet-, daß der erste Emitter (1) der Hil.faemitter eines Thyristors mit innerer Zündverstärkung ist»

8.) Thyristor nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den weiteren Zonen (11) und dem ersten Emitter (1) ein Abstand von etwa 200/U liegt.

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