DE2358937B2 - Thyristor fuer hochspannung im kilovoltbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor für Hochspannung im Kilovoltbereich mit einer volldiffundierten, an den zwei Hauptflächen mit Elektroden versehenen Halbleiterscheibe, bei dem die Hauptflächen unterschiedlich groß sind und die Randfläche konusförmig abgeschrägt ist.

Derartige Thyristoren, bei denen die Randfläche der Halbleiterscheibe konusförmig abgeschrägt ist, sind durch die DT-AS 12 12 215 und die DT-OS 19 06 479 bekannt. Die konusförmige Abschrägung wird allgemein bei Thyristoren hoher Sperrfähigkeit verwendet, um an der abgeschrägten Randfläche die Raumladungszone des mittleren pn-Überganges, welcher in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrt, zu verlängern und die Randflächenfeldstärke herabzusetzen. Eine Sperrfähigkeit von etwa 2 kV erfordert indes, daß besonders an diesem mittleren pn-Übergang die Randfläche unter einem kleinen Winkel von etwa 2° <*> abgeschrägt werden muß (vgl. DT-AS 12 12 215, Fig. 3). Dies führt dazu, daß eine Halbleiterscheibe mit einem entsprechend breiten Rand außerhalb der stromtragenden kontaktierten kleineren Hauptfläche verwendet werden muß, und zwar eine Halbleiterscheibe mit großem Durchmesser, die eine gewünschte Einkristallqualität aufweist und entsprechend hoch strombelastbar ist.

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Von dieser Problematik ausgehend wird nach DT-OS 19 06 479 bei einer konusförmigen Halbleiterscheibe eines Thyristors von der kleineren Hauptfläche her eine ring- und konusförmige Nut mit zur Abschrägung der Halbleiterscheibe entgegengesetzt verlaufender Abschrägung in die Halbleiterscheibe bis in die Anodenbasiszone eingebracht. Hierdurch wird die Randilächenfeldstärke des in der Sperrichtung vorgespannten mittleren pn-Überganges herabgesetzt.

Durch die DT-AS 12 50 008, Fig. 5 bis 7, ist ferner auch ein Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit einem symmetrischen Kantenschliff in einer nicht abgeschrägten Randfläche der Halbleiterscheibe bekannt.

Des weiteren ist durch die DT-OS 15 64 146, Fig. 1 und 12, ein als Thyristor ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit einem symmetrischen Kantenschliff in einer nicht abgeschrägten Randfläche des Halbleiterkörper bekannt.

Die Verwendung einer Halbleiterscheibe mit einer solchen Randflächenform für einen hochsperrenden Thyristor engt die vorhin erläuterte Flächenausnutzung zwar nicht ein, es kann aber bei einer solchen Ausführung der Halbleiterscheibe eine mit einer mit abgeschrägter Randfläche versehenen Halbleiterscheibe vergleichbare Herabsetzung der Randflächenfeldstärke nur mit einer nahezu zweimal so dicken Anodenbasiszone erzielt werden. Unabhängig von der Profilgebung der Randfläche wird bei Thyristoren im wesentlichen die Dicke der Anodenbasiszone von der verlangten Sperrfähigkeit bestimmt. Größere Dicke einer Halbleiterzone, insbesondere bei einer Halbleiterscheibe aus Silizium, bedingt aber größere Durchlaßspannung und höhere Durchlaßverluste. Problematisch bei Halbleiterbauelementen mit symmetrischem Kantenschliff ist außerdem, daß die scharfen Schliffkanten an den dünnen, ganz oder nur zum Teil an den Hauptflächen liegenden Zonen leicht ausbrechen können.

Ein Thyristor hoher Sperrfähigkeit setzt bekanntlich ferner eine geringe Vordotierung der verwendeten Halbleiterscheibe voraus. Ein Thyristor großer Strombelastbarkeit bedingt andererseits, wie oben erwähnt, entsprechend große stromtragende Hauptflächen und somit großen Durchmesser der verwendeten Halbleiterscheibe. Da aber die Herstellung von Halbleiterscheiben großen Durchmessers mit homogener Dotierung schwieriger sind, je geringer diese homogene Dotierung sein soll, so stellen sich die Anforderungen an die Sperrfähigkeit im Grunde einander entgegen. Es hängt besonders von der Entwicklung der Kristall-Ziehtechnik ab, ob die Schwierigkeit der Herstellung von Einkristallen großen Durchmessers und homogener Schwachdotierung verringert werden kann.

Die vorangehend skizzierte Problematik wird durch die Anforderung noch verschärft, die seitens der Anwender an die Freiwerdezeit hochsperrender und leistungsstarker Thyristoren gestellt ist. Das bedeutet eine weitere Einschränkung für die Entwicklung eines hochsperrenden Thyristors mit einer nach oben begrenzten Freiwerdezeit, denn hierdurch wird eine obere Begrenzung der Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone der Halbleiterscheibe bedingt. Demgegenüber wird eine Begrenzung der Ladungsträgerlebensdauer nach unten, um eine niedrige Durchlaßspannung zu erzielen, von der Höhe der verlangten Sperrfähigkeit her bedingt. Ein entsprechen-

der unterer Grenzwert der Lebensdauer nimmt jedoch mit der Dicke der Basiszone zu. Diese Begrenzung wird um so weniger kritisch, je mehr stromtragende Hauptfläche durch Verbesserung des Randprofils zur Herabsetzung der Randflächenfeldstärke erhalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor für Hochspannung mit einer Sperrfähigkeit weitaus höher als 2,5 kV, welcher mit einigen hundert Ampere Dauergrenzstrom belastbar ist, mit einer Freiwerdezeit, die nicht größer als bei den bexannten Thyristoren ist, durch eine optimale Formgebung und Bemessung der Randfläche der Halbleiterscheibe und der Zonenstruktur zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, bei einem Thyristor der eingangs beschriebenen Gattung in der konusförmigen Randfläche eine umlaufende in einer Ebene parallel zu den pn-Übergangsflächen liegende Kante derart einzuschleifen, daß diese Kante durch zwei unter einem Winkel aufeinanderstoßende Schliffffächen, eine den in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrenden pn-Übergang schneidende und an die kleinere Hauptfläche stoßende Schlifffläche und eine die konusförmige Randfläche jedoch keine pn-Übergangsfläche schneidende Schlifffläche gebildet wird und daß die Schlifffläche, welche an die kleinere Hauptfläche stößt, den in der Durchlaßrichtung sperrenden pn-Übergang unter einem größeren Winkel als der Winkel zwischen der Ebene der Kante und der anderen Schlifffläche schneidet, und daß der Abstand des in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrenden pn-Überganges von der Ebene, in welcher die Kante liegt, größer ist als der Abstand des rückwärts sperrenden pn-Überganges von derselben Ebene, wobei der Abstand zwischen diesen kreisscheibenförmigen pn-Übergangsflächen kleiner ist als ihre Radiusdifferenz.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung bildet die abgeschrägte Randfläche mit der größeren Hauptfläche einen Abschrägungswinkel zwischen 10 und 40°.

Um die Kanten der Halbleiterscheibe, insbesondere die Peripheriekanten der Hauptflächen eines Thyristors nach der Erfindung bei übermäßiger mechanischer Beanspruchung vor dem Ausbrechen zu sichern, sind diese Peripheriekanten sowie auch die in die Randfläche eingeschliffene Kante nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung abgerundet.

Die Vorteile der Erfindung werden auf Grund der bei erfindungsgemäß ausgebildeten Thyristoren erzielten elektrischen Eigenschaften besonders in der Verwendung dieser Thyristoren bei Stromrichtern für die Hochspannungsgleichstrom-Übertragung (HGÜ) gesehen. Bei diesen Stromrichtern wurden bisher und werden noch Thyristoren mit einer Sperrtähigkeit bis zu etwa 2,5 kV eingesetzt. Es müssen hierbei viele Thyristoren, die z. B. paarweise miteinander in Parallelschaltung aufgebaut werden, in Reihe geschaltet werden. Können aber Thyristoren mit einer weitaus höheren Sperrfähigkeit als 2,5 kV eingesetzt werden, so verringert sich dementsprechend die Anzahl der für gleiche Spannung in Reihe zu schaltenden Thyristoren und der zugehörigen Steuerungs- und Beschaltungsmittel. Bei einer geringeren Anzahl von in Reihe geschalteter Thyristoren werden Durchlaßspannung und damit auch die Durchlaßverluste der einzelnen Stromrichterzweige entsprechend geringer. Der Einsatz von solcherart hochsperrender Thyristoren kann sonach eine beträchtliche Verminderung der Investitionskosten bei elektrotechnischen Anlagen und bei den dafür erforderlichen Kühleinrichtungen mit sich bringen. Da die erfindungsgemäß ausgeführten Thyristoren ferner eine große Strombelastba; keit aufweisen, ergibt sich deshalb der Vorteil, daß auch die Anzahl der bei einem Stromrichter für e'ius vorgegebene Betriebsaromstärke unter sich parallel zu schaltender Thyristoren geringer oder nicht größer als bisher ist.

Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei der Ausbildung der sogenannten Frequenzthyristoren anwendbar, bei

ίο welchen die Kathode durch eine radial verzweigte fingerförmige Steuerelektrode in viele Abschnitte unterteilt ist.

Es wird nachstehend an Hand der Zeichnung ein Ausführungsformbeispiel eines Thyristors nach der

:5 Erfindung beschrieben. In der Zeichnung ist ein Querschnitt längs eines Durchmessers einer volldiffundierten Halbleiterscheibe, und zwar das Randgebiet derselben dargestellt.

Die Halbleiterscheibe 10 ist an seinen zwei unterschiedlich großen Hauptflächen 11 und 12 mit Elektroden K, G und A versehen. An der größeren Hauptfläche 12 betindet sich die Anode A, welche sich über die ganze Hauptfläche erstreckt. An der kleineren Hauptfläche 11 befindet sich die Kathode K, welche sich nahezu über der ganzen Hauptfläche erstreckt, und eine nicht dargestellte Steuerelektrode G.

In der Zeichnung ist dargestellt, daß die ursprünglich zylinderförmige Halbleiterscheibe an ihrer Randfläche 13 konusförmig abgeschrägt ist unter einem Abschräg-

jo winkel γ, den die abgeschrägte Randfläche mit der größeren Hauptfläche 12 der Halbleiterscheibe bildet. Es sei hier angemerkt, daß in der Zeichnung die Halbleiterscheibe 10 nicht maßstabsgerecht dargestellt ist; die vertikale Dimension der Halbleiterscheibe erscheint ungefähr zweifach gedehnt gegenüber der horizontalen Dimension. In der abgeschrägten Randfläche 13 ist, wie ersichtlich, in einem kleineren Abstand von der Anode A als von der Kathode K eine umlaufende und durch zwei unter einem Winkel y.

kegelförmig aufeinanderstoßende Schliffflächen 14 und 15 gebildete Kante k eingeschliffen. Diese Kante liegt in einer in bezug auf die pn-Übergangsflächen 16, 17, 18 und die Hauptflächen 11 und 12 parallelen Ebene £ Die Schlifffläche 14, welche auf die kleinere Hauptfläche 11 stößt, schneidet die pn-Übergangsfläche 17, welche in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrt, unter einem Winkel ß, der größer als der Winkel α zwischen der Ebene E und der anderen Schlifffläche 15 ist. Ferner ist der Abstand b zwischen der Ebene E und der pn-Übergangsfläche 17 größer als der Abstand a zwischen der Ebene E und der pn-Übergangsfläche 18. Es ist die stromtragende Fläche des Thyristors im wesentlichen durch die Größe der kleineren Hauptfläche 11 der Halbleiterscheibe 10 bestimmt, die in Richtung der größeren Hauptfläche 12 von einer um so breiteren Randzone umgeben sein muß, je höher bei einer gewünschten Strombelastbarkeit die Sporrfähigkeit sein soll. Die Rpdiusdifferenz Ar der zwei kreisförmigen pn-Übergangsflächen 17 und 18 ist daher größer bemessen als der Abstand a + b zwischen den zwei pn-Übergangsflächen 17 und 18.

Eine Halbleiterscheibe mit einem Kantenschliff in seiner abgeschrägten Randfläche, die wie vorangehend erläutert bemessen ist, kann eine Sperrfähigkeit von 5 kV und eine Strombelastbarkeit von z. B. 400 A Dauergrenzstrom aufweisen. Diese Leistungsfähigkeit wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß bei angelegter Hochspannung die Randflächenfeldstärke an der

Schnittlinie der pn-Übergangsfläche 17 infolge der Randflächenkontur erheblich vermindert ist.

Während bei Anwendung eines Kantenschliffs nach den Fig. 5 bis 7 der DT-AS 12 50 008 bei einer Halbleiterscheibe eines Thyristors mit einer Basisweite der niedrig dotierten η-leitenden Zone des Thyristors gearbeitet werden muß, die nahezu dem zweifachen Wert der theoretisch benötigten Basisweite für ein gewünschtes Sperrvermögen entspricht, um die Randflächenfeldstärke niedrig halten zu können, so ist dies bei einem Thyristor nach der Erfindung nicht nötig.

Um die Wirkung des Kantenschliffs bei einem Thyristor nach der Erfindung zu erläutern, sei hier zunächst der Fall betrachtet, daß der pn-Übergang 17 in Sperrichtung gepolt ist. Es bewirkt die in diesem Falle positiv definierte Abschrägung der Schlifffläche 14, daß sich die Raumladung in der η-Basiszone längs der Schlifffläche 14 zunächst schneller mit einer Krümmung nach unten ausdehnt als im Volumen dieser n-Basiszone. Demzufolge ist auch die Randflächenfeldstärke kleiner als die Volumenfeldstärke. Dies gilt solange, als die Grenze der Raumladung den Rand der Ebene E, d. h. die Schliffkante Jt, nicht erreicht hat. Liegt diese Ebene Eim unteren Teil der η-Basiszone, so fällt schon der größte Teil der Spannung längs der Schlifffläche 14 ab, bevor die Raumladungsgrenze um die Kante k umbiegt und sich im Bereich der negativen Abschrägung der Schlifffläche 15 ausdehnt. Wählt man den Winkel β und den Abstand der Ebene E vom pn-Übergang 17 dementsprechend, so kann man die Raumladung also zwingen, eine solche Form anzunehmen, daß an keiner Stelle der Randfläche die Feldstärke den Durchschlagswert erreicht.

Ist nun der pn-Übergang 18 in Sperrichtung gepoll, so ist die Abschrägung der Schlifffläche 15 als positiv anzusehen. Da der Abstand der Ebene, in welcher die Schlifffläche 15 auf die konusförmige Abschrägung 13 stößt, vom pn-Übergang 18 nur gering ist, so überwindet die Raumladungsgrenze auch sehr schnell die lange flache Schlifffläche 15 und erreicht somit schon bei

ίο niedriger Sperrspannung den Rand der Ebene E. Bei Spannungserhöhung wird sich dann die Raumladung längs der nun negativ definierten Abschrägung der Schlifffläche 14 weiter ausdehnen und sich dabei in Richtung des pn-Überganges 18 krümmen. Von der Anodenseite des Thyristors her gesehen, wirkt indes das Randprofil des Halbleiterelementes, bei dem nicht viel η-Silizium der p-Anodenzone vorgelagert ist, wie eine positive konusförmige Randabschrägung. Da die Grenze der Raumladungszone in der p + -Anodenzone an die konusförmig abgeschrägte Randfläche 13 stößt, wird sie sich in der η-Basiszone auf der negativ abgeschrägten Schlifffläche 14 oberhalb der Ebene E weiter in der Richtung des pn-Überganges 17 ausbreiten, damit eine entsprechende Gegenladung in bezug auf die p + -Anodenzone umfaßt wird. Diese Ausbreitung geht um se schneller vor sich, je größer die Radiusdifferenz Ardet pn-Übergangsflächen 17 und 18 ist.

Durch entsprechende Wahl der Größe diesel Differenz kann somit erreicht werden, daß auch be rückwärts am Thyristor anliegender Spannung die Randflächenfeldstärke nirgends zum Durchschlag führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 23

1. Thyristor für Hochspannung im Kilovoltbereich mit einer volldiffundierten, an den zwei Hauptflächen mit Elektroden versehenen Halbleiterscheibe, bei dem die Hauptflächen unterschiedlich groß sind und die Randfläche konusförmig abgeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der konusförmigen Randfläche (13) eine umlaufende in einer Ebene ^parallel zu den pn-Übergangsflächen (16, 17, 18) liegende Kante ^derart eingeschliffen ist, daß diese Kante durch zwei unter einem Winkel (x) aufeinanderstoßende Schliffflächen (14, 15), eine den in der Durchlaßrichtung des Thyristors sperrenden pn-Übergang (17) schneidende, an die kleinere Hauptfläche (11) stoßende Schlifffläche (14) und eine die konusförmige Randfläche jedoch keine pn-Übergangsfläche schneidende Schlifffläche (15) gebildet wird und daß die Schlifffläche (14), welche an die kleinere Hauptfläche (11) des Thyristors stößt, den in der Durchlaßrichtung sperrenden pn-Übergang (17) unier einem größeren Winkel (ß) als der Winkel (οι) zwischen der Ebene (E) und der anderen Schlifffläche (15) schneidet, und daß der Abstand (b) der pn-Übergangsfläche (17) von der Ebene (E,) größer als der Abstand fajder pn-Übergangsfläche (18) von derselben Ebene ist, wobei der Abstand (a + b) zwischen diesen kreisscheibenförmigen pn-Übergangsflächen kleiner als ihre Radiusdifferenz^dr^ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Randfläche (13) mit der größeren Hauptfläche (12) einen Abschrägwinkel (y) zwischen 10 und 40° bildet.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Randfläche (13) eingeschliffene Kante (k) und die Peripheriekanten (k') der Hauptflächen (11 und 12) abgerundet sind