DE2458431A1

DE2458431A1 - Leistungsthyristor mit grosser zuendgeschwindigkeit.

Info

Publication number: DE2458431A1
Application number: DE19742458431
Authority: DE
Inventors: Serge Lehmann
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-19
Also published as: BE822630A; CA1004372A; IT1030872B; FR2254880A1; US3975754A; GB1492799A; JPS50117376A; NL7416195A; FR2254880B1

Description

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na. Jürgen WEINMILLER _η

PATENTASSESSOR 2458431

SOSPl GmbH

80OO München 8O
Zeppelinstr. 63

SOCIETE GEHERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES ALSTHOM

38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 (Frankreich)

LEISTUNGSTHYRISTOR MIT GROSSER ZÜNDGESCHWINDIGKEIT

Die Erfindung betrifft Leistungsthyristoren mit großer Zündgeschwindigkeit. Bekanntlich umfassen diese Thyristoren : - eine Einkristall-Halbleiterscheibe mit einer Anoden- und einer Kathodenseite mit nacheinander von der Anodenseite zur Kathodenseite betrachtet einer P-Anode, einer N-Zwischenschicht, einer P-Basis und einer N-Emitterschicht, die Zwischenräume aufweist, an denen die Basisschicht die oberste Schicht bildet, derart, daß die Kathodenseite mindestens einen zentralen Basisbereich, einen diesen zentralen Bereich umgebenden Zündemitter, eine diesen Zündemitter umgebende Zwischenbasisschicht und einen

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diese Zwischenbasisschicht umgebenden Hauptemitter aufweist, der eine größere Fläche einnimmt als der Zündemitter,

- einen Steueranschluß, der aus einer in einem bestimmten Abstand vom Zündemitter auf den zentralen Basisbereich gelegten Metallschicht besteht,

- eine Hilfsmetallisierung, die auf den Zündemitter aufgebracht wird, einen Abstand vom zentralen Basisbereich aufweist sowie über den BasisZwischenbereich hinausreicht,

- eine Kathode, die aus einer auf den Hauptemitter aufgebrachten Metallschicht in einem bestimmten Abstand von der Basiszwischenschicht besteht,

- zwei Hauptanschlußklemmenr von denen die «ine mit der Anode und die andere mit der Kathode verbunden ist,

- sowie eine Steueranschlußklemme, mit der der Steueranschluß verbunden ist.

Der Zündemitfcer soll die Zündung mit Hilfe eines Impulses verhältnismäßig geringer Energie ermöglichen.

Der Zündemitter ist vom Hauptemitter verschieden und nimmt weniger Platz in Anspruch. Er liegt zwischen dem Steueranschluß und dem Hauptemitter, so daß bei gelöschtem Thyristor und bei Vorhandensein einer Gleichspannung zwischen der Anode und der auf dem Hauptemitter liegenden Kathode sowie bei schwankendem Zündemitterpotential ein auf den Steueranschluß geleitetes geeignetes positives Signal zunächst einen "Auslösethyristor" zündet, dessen Emitter aus dem Zündemitter besteht.

Zur Erleichterung der Beschreibung können sehr grob betrachtet verschiedene mehr oder weniger aufeinanderfolgende

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Phasen beim Zündvörgang unterschieden werden s

- erste Phase :

Das auf dem Steüeranschluß gegebene Signal ruft ausgehend vom Zündemitter die Injektion von Minoritätsträgern in die Basis hervor. -

- zweite Phase : .

Diese Injektion zündet den "Auslösethyristor¹¹ gemäß dem klassischen Verfahren, wodurch das Potential des Zündemitters erhöht wird.

- dritte Phase :

Die Erhöhung dieses Potentials ruft einen Zündemitterstrom in Richtung auf die Hauptkathode hervor. Dieser Strom wird nachfolgend "Zündstrom" genannt.

- vierte Phase :

Der Zündstrom ruft ausgehend vom Hauptemitter über die entsprechende Junktion, die nachfolgend "Hauptjunktion" genannt wird, eine Injektion von Minoritätsträgern in die Basis hervor.

- fünfte Phase :

Diese Injektion zündet den Hauptthyristor gemäß dem klassischen Verfahren. Damit ist das Ziel erreicht; der Vorteil der beschriebenen Anordnung liegt darin, daß die während der obigen vierten Phase für die Injektion verfügbare Leistung wesentlich höher liegt.als die zur Betätigung des Steueranschlusses aufgewandte Leistung.

Der Zündemitter ist vom Hauptemitter durch die Basis getrennt, so daß der vom Zündemitter zur Hauptkathode fließende Strom durch die Basis geführt wird, was sich während der vierten Phase günstig auf die Injektion über die Hauptverbindung auswirkt.

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Die Kathode ist in bezug auf den Rand des Hauptemitters mindestens auf der Seite des Zündemitters zurückgezogen, damit die Hauptjunktion während der vierten Phase nicht kurzgeschlossen wird. Hierdurch wird der Zündstrom dazu gezwungen, die Hauptjunktion zu durchlaufen.

Die Hilfsmetallisierung befindet sich zu beiden Seiten der Junktion zwischen dem Zündemitter und der Basis auf der Seite des Hauptemitters, so daß während der vierten Phase der Zündstrom diese Junktion nicht durchlaufen muß und umgekehrt. Darüber hinaus ist es durch diese Metallisierung möglich, das Zündemitterpotential zu verteilen. Das Dotierprofil und die Breite des Basiszwischenbereichs werden so gewählt, daß sich für den Widerstand zwischen dem Zündemitter und dem Hauptemitter ein bevorzugter Wert ergibt.

Die Funktion des Zündemitters besteht außerdem darin, die Zündgeschwindigkeit des Thyristors zu erhöhen, d.h. die Geschwindigkeit, mit der der vom Thyristor ohne Zerstörungsgefahr ertragene Strom anwachsen kann. Es ist bekannt, daß bei zu raschem Anwachsen des Stroms hohe Werte erreicht werden, bevor die tatsächlich gezündete Oberfläche des Thyristors groß genug ist, um diese Werte auszuhalten. Es ist daher wichtig, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die gezündete Oberfläche anwächst. Diese gezündete Oberfläche beginnt an der Hauptjunktion und ihre anfängliche Wachstumsgeschwindigkeit ist praktisch proportional zum Umfang dieser ,Junktion. d.h., zum Umfang des äußeren Randes des obengenannten Basiszwischenbereichs.

509825/0781 ./.

Es ist bekannt, zur Erhöhung dieses Umfangs bei einer gewöhnlichen kreisförmigen Halbleiterscheibe diesen Zwischenbereich mit Verlängerungen zu versehen, die sich radial zum Rand der Scheibe hin erstrecken und mit Querverzweigungen versehen werden, die sich kreisbogenförmig um den Mittelpunkt der Scheibe erstrecken. Diese Verlängerungen erreichen mindestens die Hälfte der Breite des Hauptemitters, die radial gemessen wird. So erzielt man hohe Zündgeschwindigkeiten, jedoch ist die Hauptemitterfläche stark verringert und damit auch der maximale Strom, den der vollgezündete Thyristor ertragen kann.

Ziel der Erfindung ist es, eine große Zündgeschwindigkeit eines Thyristors mit einer großen Stromstärke des vollgezündeten Thyristors kompatibel zu machen.

Erfindungsgemäß ist ein Leistungsthyristor mit großer Zündgeschwindigkeit der oben beschriebenen Bauart dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand des Basiszwischenbereichs eine gewellte Form aufweist, deren Vertiefungen zum zentralen Bereich hin ausgerichtet sind und deren Ausbuchtungen von diesem zentralen Bereich abgewandt sind.

An Hand der beiliegenden schematischen Figuren 1 bis 4 werden anschließend verschiedene Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Thyristors beschrieben.

Sofern in diesen Figuren gleiche Elemente auftreten, werden sie mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch die Halbleiterscheibe eines erfindungsgemäßen Thyristors dar.

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Pig. 2 zeigt eine Teilansicht der Scheibe gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Halbleiterschexbe eines weiteren erfindungsgemäßen Thyristors.

Fig. 4 zeigt eine Teilansicht der Scheibe gemäß Fig. 3.

Natürlich gehören zu den Thyristoren, deren Halbleiterscheibe in den Figuren dargestellt wird, Presskontaktgehäuse bekannter Bauart, die nicht in den Figuren gezeigt sind.

Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Scheibe handelt es sich um eine kreisförmige Scheibe, die aus Einkristall-Silizium besteht und einen Durchmesser von 16 mm besitzt. Sie

umfaßt von unten nach oben :
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- eine Anode mit einem P-Dotiergehalt, der von oben nach unten

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gesehen von 10 bis 10 Atomen pro Kubikzentimeter geht, und mit einer Schichtstärke von 70 Mikron. Die Dotierung ihrer untersten Schicht ist eine P++ Dotierung, d.h., daß der Dotierungsgrad über eine Stärke von 5 Mikron etwa 10 bis 10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt. iHre : untere Seite ist mit einer metallischen Kontaktschicht 6 aus Aluminium beschichtet, deren Stärke 30 Mikron beträgt,

- eine Zwischenschicht 8 mit geringer N-Dotierung, d.h. 5.10 Atome pro Kubikzentimeter und mit einer Stärke von etwa 200 Mikron,

- eine Basis 10 des Typs P+ mit einer Stärke von 75 Mikron und an gewissen Stellen 50 Mikron,

- eine Emitterschicht des Typs N++, d.h., daß der Dotierungsgrad etwa 10 Atome pro Kubikzentimeter beträgt, und eine Schichtstärke von 25 Mikron. Diese Schicht wird von der Basis 10 in einen ringförmigen Hauptemitter 12 und einen ringförmigen Zündemitter 14 geteilt, welcher letzterer vom Hauptemitter, der eine

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größere Fläche einnimmt, umgeben wird. Ein zentraler Bereich in der Basis liegt im Innern des Hauptemitters; eine Basiszwischenschicht 18 befindet sich zwischen dem Zündemitter und dem Hauptemitter; ein peripherer Basisbereich 20 umgibt den Hauptemitter; diese drei Bereiche weisen die oben angeführte Stärke von 75 Mikron auf, ebenso wie zahlreiche kleine ringförmige Bereiche, beispielsweise 22, die sich in den Emittern befinden und es ermöglichen, auf bekannte Weise Emitterkurzschlüsse (shunt) herzustellen, deren Funktion darin besteht, das Zünden des Thyristors zu ungewollten Zeitpunkten während der Phasen des raschen Anwachsens der auf den Thyristor geleiteten Hauptspannung zu vermeiden.

Eine Aluminiumschicht von 13 Mikron Dicke wird auf bestimmte Teile der oberen Seite, d.h. der kathodischen Seite der-Halbleiterscheibe aufgebracht. Diese Schicht bildet zum ersten einen Steueranschluß 24 auf dem zentralen Basisbereich 16, wobei sie einen Abstand von 0,4 mm vom Zündemitter beibehält, und zum zweiten eine Hilfsmetallisierung 26 auf dem Zündemitter 14, wobei sie nach innen einen Abstand von 0,2 mm vom Bereich 16 beibehält und nach außen bis auf die Basiszwischenschicht 18 hinausreicht, um sich bis auf 0,2 mm dem Hauptemitter 12 zu nähern. Schließlich bildet sie zum dritten eine Kathode auf dem gesamten Hauptemitter 12, wobei sie nach innen in einem Abstand von weniger als 0,1 mm von der Basiszwischenschicht endet und leicht außen auf den peripheren Basisbereich 20 hinausreicht. Die Hilfsmetallisierung 26 und die Kathode 28 überdecken die Emitterkurzschlüsse wie beispielsweise 22, damit mit ihnen ein elektrischer Kontakt gewährleistet ist und damit sie ihre oben angegebene Funktion erfüllen können.

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Erfindungsgemäß besitzt der Außenrand der Basiszwischenschicht 18 Wellenform, wobei die Vertiefungen wie 30 zum Mittelpunkt und die Ausbuchtungen wie 32 zur Peripherie hin ausgerichtet sind. Die Anzahl der Vertiefungen ist gleich der Anzahl der Ausbuchtungen und beträgt im beschriebenen Beispiel zwölf, so daß diese Wellenform eine Zwölfersymmetrie um den Mittelpunkt der Scheibe aufweist, d.h., daß sie nach einer zwölftel Drehung wieder auf sich selbst fällt. Die Anzahl der Ausbuchtungen wie beispielsweise 32 liegt vorteilhafterweise zwischen acht und achtzehn. Die Höhe der Ausbuchtungen radial gemessen in bezug auf die Vertiefungen beträgt 10% der Breite des Hauptemitters 12, die in derselben Richtung gemessen wird. Gemäß den vom Thyristor verlangten Leistungen muß sie zwischen 5 und 20% dieser Breite betragen. Es scheint außerdem vorteilhaft, daß die Krümmung der Ausbuchtungen größer ist als die der Vertiefungen, solange der Außenrand noch abgerundete Formen bewahrt. In der Praxis besteht eine einfache Form aus einer Aufeinanderfolge von Kreisbögen, angenähert Halbkreise, die abwechselnd nach innen im Falle von Ausbuchtungen bzw. nach außen im Falle von Vertiefungen geöffnet sind und einen Durchmesser in den Vertiefungen von weniger als dem Doppelten des Durchmessers der Ausbuchtungen aufweisen, d.h. beispielsweise für die Vertiefungen 1 mm und für die Ausbuchtungen 0,7 mm. Um zum Rand des Hauptemitters 12 einen Abstand von 0,2 mm zu wahren, weist die Hilfsmetallisierung 26 die Form von Fingern wie beispielsweise 34 auf, die in die Ausbuchtungen wie beispielsweise 32 hineinreichen. Der Widerstand zwischen Hauptemitter und Zündemitter wird zu etwa 4 Ohm gewählt.

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Die Hauptklemmen 36 und 38 des Thyristors sind über an sich bekannte hier nicht dargestellte metallische Presskontakte an die Anode 6 bzw. die Kahtode 28 angeschlossen, zwischen denen ohne Durchschlaggefahr eine Sperrspannung von 1200 V oder eine direkte Spannung von 1200 V angelegt werden kann. Im Falle einer direkten Spannung ist die Zündung des Thyristors, dessen Höchststromstärke 200 A beträgt, durch einen mindestens 5 Mikrosekunden dauernden, auf eine an die Steuerelektrode 24 angeschlossene Steuerklemme 40 geleiteten positiven Impials von 3 V möglich. Unter der Referenz 42 ist' ein Steuergenerator dargestellt, durch den der Thyristor gezündet wird, woraufhin eine Stromquelle 44 den Strom liefert, der durch eine Last 46 fließen soll. Die erfindungsgemäß für den Außenrand der Zwischenschicht 18 gewählte Form ermöglicht es, den Strom mit einer Geschwindigkeit von 1100 A pro Mikrosekunde ansteigen zu lassen, während unter analogen Bedingungen, wenn der Außem^-and des Bereichs 18 kreisförmig ist, die höchste Anwachsgeschwindigkeit für die Stromstärke lediglich 800 A pro Mikrosekunde beträgt, wobei in beiden Fällen die Höchststromstärke praktisch unverändert bleibt;,

Die in den'Fig. 3 und 4 dargestellte Halbleiterscheibe entspricht i.w. der in den Fig. 1 und 2 gezeigten. Sie weist folgende Unterschiede auf :

Ihr Durchmesser ist größer (36 mm), so daß die für den Thyristor zulässige Höchststromstärke a\af einen höheren Wert gebracht werden kann (550 A). Daraus ergibt sich, daß die Gesamtzünddauer des Thyristors durch allmähliches Anwachsen der stromzuführenden Zone ausgehend vom Außenrand der Basiszwischenschicht

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stark erhöht würde, wenn der Außenrand seine Form und seine Abmessungen beibehalten würde. Aus diesem Grunde wird der Außenrand gemäß einer an sich bekannten Anordnung mit Fingern wie beispielsweise 50 versehen, die radial ausgerichtet sind und Seitenverzweigungen wie beispielsweise 52 in Form von Bögen von zum Mittelpunkt der Scheibe konzentrischen Kreisen mit halber Hauptemitterbreite bilden. Diese Finger verbinden sich außen im peripheren Teil 20 der Basis miteinander. In der Achse dieser Finger und Verzweigungen, die eine Breite von 0,7 mm aufweisen, dringt die Hilfsmetallisierung 26 mit einer Breite von 0,3 mm in Form von Aluminiumbändern wie beispielsweise 54 in den Fingern und 56 in den Verzweigungen nach außen vor und verbindet sich mit einem kreisförmigen Band 58 auf dem peripheren Teil 20 der Basis. Die Aufgabe dieser Bänder besteht darin, in den Fingern und Verzweigungen wie beispielsweise 50 und 52 und im peripheren Teil 20 die Potentialveränderungen des Zündemitters 14 weiterzuleiten, damit die Zündung des Thyristors ausgehend von diesen Fingern und Verzweigungen sowie dem peripheren Teil möglich ist. Die Dicke der Metallbänder in den Verzweigungen wie beispielsweise 54 ist geringer als die der Kathode 28, damit zwischen diesen Bändern und einem metallischen Kontakt 60, der auf die Kathode 28 gepreßt wird, eine galvanische Verbindung vermieden wird; der andere Metallkontakt ist mit dem Bezugszeichen 62 versehen. Die Finger wie beispielsweise 50 befinden sich anstelle jeder zweiten Ausbuchtung wie beispielsweise 32, was für die

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gesamte Scheibenanordnung zu einer Sechsersymmetrie um den Mittelpunkt führt. Ganz allgemein stellt die Anzahl der Vertiefungen wie beispielsweise 30 vorteilhafterweise das Produkt aus zwei ganzen Zahlen wie beispielsweise 2 und 6 oder 3 und 4 dar, und die Anzahl der Finger, die an die Stelle von Ausbuchtungen treten, ist dabei eine dieser ganzen Zahlen, so daß um den Mittelpunkt der Scheibe eine Symmetrie bewahrt bleibt.

Es bleibt zu bemerken, daß die erfindungsgemäßen Wellenränder der Basiszwischenschicht keinen Einfluß auf den Zündvorgang des Thyristors ausgehend von den Fingern und Verzweigungen wie beispielsweise 50, 52 haben. Ihre Wirkung besteht lediglich darin, den Zündvorgang im am zentralsten gelegenen Bereich des Hauptemitters zu beschleunigen, ohne spürbar den Wert der für den Thyristor zulässigen Höchststromstärke zu beeinflussen, während das Vorhandensein der Finger und Verzweigungen wie beispielsweise 50 und 52,die für die Beschleunigung der Zündung in den übrigen Bereichen des Hauptemitters gemäß einer bekannten Anordnung notwendig sind, mit einer spürbaren Herabsetzung dieser Höchststromstärke Hand in Hand geht.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 -J Leistungsthyristor mit großer Zündgeschwindigkeit,

der umfaßt

- eine Einkristall-Halbleiterscheibe mit einer Anoden- und einer Kathodenseite mit nacheinander von der Anodenseite zur Kathodenseite betrachtet einer P-Anode, einer N-Zwischenschicht, einer P-Basis und einer N-Emitterschicht, die Zwischenräume aufweist, an denen die Basisschicht die oberste Schicht bildet, derart daß die Kathodenseite mindestens einen zentralen Basisbereich, einen diesen zentralen Bereich umgebenden Zündemitter, eine diesen Zündemitter umgebende Zwischenbasisschicht und einen diese Zwischenbasisschicht umgebenden Hauptemitter aufweist, der eine größere Fläche einnimmt als der Zündemitter,

- einen Steueranschluß, der aus einer in einem bestimmten Abstand vom Zündemitter auf den zentralen Basisbereich gelegten Metallschicht besteht,

- eine Hilfsmetallisierung, die auf den Zündemitter aufgebracht wird, einen Abstand vom zentralen Basisbereich aufweist sowie über den Basiszwischenbereich hinausreicht,

- eine Kathode, die aus einer auf den Hauptemitter aufgebrachten Metallschicht in einem bestimmten Abstand von der Basiszwischenschicht besteht,

- zwei Hauptanschlußklemmen, von denen die eine mit der Anode und die andere mit der Kathode verbunden ist,

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- sowie eine Steueranschlußklemme, mit der der Steiieranschluß
verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet* daß der Außenrand
der Basiszwischenschicht (18) eine gewellte Form besitzt, deren Vertiefungen (30) zum zentralen Bereich und deren Ausbuchtungen (32) von diesem zentralen Bereich weg ausgerichtet sind.

2 - Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennz e i c Iv η e t, daß die Durchmesserdifferenz dieser Ausbuchtungen (32) in bezug auf die Vertiefungen (30) zwischen 20 und 5% der Ringbreite des ebenfalls radial gemessenen Hauptemitters (12) beträgt.

3 - Thyristor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung des Außenrandes der Basiszwischenschicht in den Ausbuchtungen (32) größer ist als in den Vertiefungen (30) .

4 - Thyristor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Außenrand i.w. aus einer Aufeinanderfolge von abwechselnd nach „innen, ijn Falle der Ausbuchtungen (32), und nach außen, im Falle der Vertiefungen (30), geöffneten Halbkreisen besteht.

5 - Thyristor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Halbkreise in den
Vertiefungen (30) kleiner als das Zweifache des Durchmessers der Halbkreise in den Ausbuchtungen (32) ist.

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6 - Thyristor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Ausbuchtungen (32) zwischen 8 und L8 liegt.

7 - Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch geken nzeiohnet, daß die Hilfsmetallisierung Finger (50)
bildet, die in die Ausbuchtungen münden.

8 - Thyristor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe praktisch kreisförmig ist und daß die Basiszwischenschicht und die Hilfsmetallisierung eine Form aufweisen, die nach einer Drehung um eine bestimmten
Winkel um den Mittelpunkt der Scheibe wieder mit sich zur
Deckung kommt.

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