DE69327388T2

DE69327388T2 - Thyristor und Aufbau von Thyristoren mit gemeinsamer Katode

Info

Publication number: DE69327388T2
Application number: DE69327388T
Authority: DE
Inventors: Robert Pezzani
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-25
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2013-10-26
Also published as: US5365086A; FR2697674A1; DE69327388D1; EP0599739B1; EP0599739A1; FR2697674B1; JPH06204462A; JP3635098B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thyristoraufbau und eine monolithische Anordnung von Thyristoren mit gemeinsamen Kathoden und gemeinsamen Gates, mit Vorspannung der Gates relativ bezüglich der Kathoden.
Fig. 1 zeigt einen ganz herkömmlichen Thyristoraufbau. Dieser Aufbau ist, ausgehend von einem Substrat N2 vom N-Typ, mit einer Dicke von mehreren Hundert Mikron hergestellt. Auf der Unter- bzw. Rückseite des Substrats ist in gleichförmiger Weise eine P-Schicht P2 ausgebildet, welche der mit einer Anodenmetallisierung A überzogenen Anode des Thyristors entspricht. Auf der Ober- bzw. Vorderseite ist ein Bereich P1 vom P-Typ ausgebildet, der einer Kathoden-Gate- Schicht entspricht, in welcher ein Kathodenbereich N1 vom N-Typ ausgebildet ist. Mit dem Gate-Bereich ist eine Metallisierung G verbunden, auf dem Bereich N1 ist eine Metallisierung K ausgebildet, die als Kathodenelektrode dient. In herkömmlicher Art sind Unterbrechungen des Bereichs N1 wiedergegeben, welche Emitter-Kurzschlüssen entsprechen.
Am Umfang des Thyristors sind von der Ober- und Unterseite her P-Diffusionen 2 und 3 ausgebildet, die miteinander zusammenhängen und das, bilden, was man gewöhnlich einen Thyristoraufbau vom Graben- bzw. Schachttyp bezeichnet.
Bei einem derartigen Aufbau kann die Anodenseite auf einem Kühlkörper montiert werden und entspricht der Kühlseite des Thyristors sowie im allgemeinen (außer bei Montage mit Isolierung) auch dem Potential des Kühlkörpers. Mit einem derartigen Aufbau lassen sich in einfacher Weise mehrere Thyristoren parallel mit gemeinsamen Anoden in integrierter Form herstellen.
In diesen Thyristoren ist das Gate gegenüber der Kathode vorgespannt, d. h. daß der Thyristor leitend wird, wenn - bei bezüglich der Kathode positiver Anode - eine positive Spannung zwischen Gate und Kathode angelegt wird, um einen Stromfluß vom Gate zur Kathode fließen zu lassen.
Seit langem haben die Thyristor-Hersteller die Dotierungspegel und die Formgebungen (in Draufsicht) der verschiedenen Schichten sowie die Form der Kurzschluß-Öffnungen optimiert, zur Optimierung der verschiedenen gewünschten Parameter eines derartigen Thyristors mit Kathoden-Gate, d. h. insbesondere seines Spannungsverhaltens und seiner Ein- und Ausschaltparameter.
Fig. 2 veranschaulicht einige dieser Parameter.
- Ist die Spannung zwischen Anode und Kathode eine positive Spannung gleich V1 und wird eine Gate-Spannung angelegt, wie durch die Kurve 10 wiedergegeben, so steigt der Strom zwischen Anode und Kathode rasch an, und die Spannung fällt auf einen niedrigen Wert ab, bis sich Spannung und Strom auf Werte V2, I2 entsprechend Parametern der Schaltung, in welcher der Thyristor eingefügt ist, einstellen. Danach verbleibt der Thyristor in diesem Zustand, selbst wenn der Gate-Strom unterbrochen wird. Man sagt, daß der Thyristor einschaltempfindlich ist, falls eine niedrige Gate-Kathoden-Spannung und ein niedriger Gate-Strom ausreichen, um den Leitungszustand herbeizuführen.
- Zum Öffnen (Ausschalten) des Thyristors muß die Spannung an seinen Anschlüssen so weit abnehmen, bis der ihn durchfließende Strom kleiner als ein Haltestrom IH wird.
- Des weiteren besitzt der Thyristor ein bestimmtes Spannungsverhalten in Durchlaßrichtung. D. h. daß, wenn bei Abwesenheit eines Gate-Stroms die Spannung einen Schwellwert VBR überschreitet, der Thyristor kippt und die Strom- Spannungs-Kennlinie der Kurve 11 entspricht. Außerdem hängt dieser Trigger- bzw. Kippwert des Thyristors von der Raschheit des Spannungsanstiegs ab, eine Kenngröße, die man als dV/dt-Verhalten des Thyristors bezeichnet.
Von den charakteristischen Parametern eines Thyristors sind diese Parameter Einschaltempfindlichkeit, dV/dt-Verhalten und Haltestrom in gleicher Weise von wesentlicher Bedeutung. Nun sind jedoch diese verschiedenen Parameter gegenläufig. Insbesondere nimmt bei einer Verringerung des Anteils von Emitter-Kurzschlüssen die Einschaltempfindlichkeit zu, während sich bei einer Erhöhung dieses Anteils von Emitter-Kurzschlüssen die mit der dV/dt-Triggerung in Zusammenhang stehenden Probleme verringern und der Haltestrom IH zunimmt.
Gleichwohl ist es im Rahmen der Thyristorstrukturen mit gemeinsamer Anode und mit gegenüber der Kathode vorgespanntem Gate nach Art der in Fig. 1 gezeigten Thyristorstrukturen gelungen, die Gesamtheit dieser Parameter in zufriedenstellender Weise zu optimieren. Darüber hinaus ist es bekannt, daß man die Einschaltempfindlichkeit noch erhöhen kann, indem man Aufbaustrukturen vom Darlistor-Typ oder Thyristoren mit Kathoden-Gate-Verstärkung vorsieht.
In bestimmten Anwendungen möchte man über Thyristoren verfügen, bei welchen die Gate-Elektrode sich auf der Seite der Anodenmetallisierung befindet, derart daß die Kathodenmetallisierung auf einer Seite des Bauteils allein vorliegt und direkt auf einem Kühlkörper montiert werden kann. Man kann dann an Thyristoren mit Anoden-Gate denken. Jedoch stellt die Herstellung derartiger Thyristoren Probleme, die bis heute noch nicht gut gelöst sind.
Im Gegensatz zu der allgemeinen Behauptung in den Patentschriften, wo es häufig heißt, nachdem ein Thyristor mit Kathoden-Gate beschrieben wurde, daß ein äquivalenter Aufbau durch Vertauschung sämtlicher Leitfähigkeitstypen der N- und P-Schichten erhalten werden kann, besteht tatsächlich keine Äquivalenz zwischen einer N- und einer P-Schicht. Insbesondere ist die Ladungsträgerbeweglichkeit in einer N-Schicht und in einer P-Schicht nicht dieselbe, und es ist nicht möglich, dieselben Dotierungspegel vom N-Typ und vom P-Typ zu erhalten. Beispielsweise ist es sehr schwierig, hohe Dotierungspegel vom P-Typ zu erhalten.
Die Lösung, die darin bestünde, daß man den Thyristor aus Fig. 1 durch Vertauschung sämtlicher Leitfähigkeitstypen in einen Thyristor mit Anoden-Gate umwandelt, ist nicht zufriedenstellend, insbesondere wegen des Umstands, daß es nicht möglich ist, die Schicht N1 durch eine Schicht vom P-Typ mit sehr hohem Dotierungspegel zu ersetzen.
Eine andere Lösung zur Schaffung eines Thyristors mit Anoden-Gate ist in Fig. 3 veranschaulicht; bei dieser Anordnung wird die Kathoden-Gate-Schicht P1 zu einer Anodenschicht P2, das Substrat N2 hat nunmehr die Funktion eines Anoden-Gate, die Schicht P1 wird eine Kathoden-Gate-Schicht (ohne Anschlußverbindung), und die Kathodenschicht 111 wird an der Unter- bzw. Rückseite ausgebildet. Dies führt zu einer Struktur sehr niedriger Empfindlichkeit, da das Gate an eine sehr dicke Schicht N2 (nämlich das Substrat) gebunden ist, bei welcher es sich um die Schicht handelt, welche das Spannungsverhalten bestimmt.
Somit findet man in der Praxis im wesentlichen nur Thyristoren mit Kathoden-Gate nach Art des in Fig. 1 veranschaulichten Thyristors, und praktisch keine Thyristoren mit Anoden-Gate. Dies bringt es mit sich, daß man zwar in einfacher Weise Thyristoranordnungen herzustellen vermag, bei welchen mehrere Thyristoren parallel miteinander mit einer gemeinsamen Anode angeordnet sind, die mit einer Wärmeabfuhrvorrichtung verbunden ist, daß jedoch die Herstellung von Anordnungen mit parallelen Thyristoren mit gemeinsamer Kathode sehr schwierig ist.
Ein anderer Nachteil der Thyristoren mit Anoden-Gate ist der, daß, selbst wenn man zufriedenstellende Thyristoren dieser Art herstellen könnte, sie von Haus aus ein auf ihre Anode bezogenes Gate besitzen, während in zahlreichen elektrischen Anordnungen man Thyristoren wünscht, deren Kipp- Triggerung bzw. -Auslösung durch eine auf die Kathode, und nicht auf die Anode bezogene Spannung erhalten wird.
Ein anderer Thyristor ist in der Veröffentlichung GB-A- 1 580 490 beschrieben.
Somit ist ein erstes Ziel der Erfindung die Schaffung eines Thyristors, dessen Kathode einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleiterplättchens bzw. -chips (nämlich der Unterseite) entspricht und dessen Gate sich auf der die Anode tragenden Seite befindet, während die Triggerung des Thyristors durch eine an das Gate angelegte Spannung in bezug auf die Kathode erfolgt.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Thyristors, der gute Einschaltempfindlichkeit besitzt, der in hohem Maße unempfindlich bezüglich dv/dt-Auslösungen ist und der einen hohen Wert des Haltestroms besitzt.
Zur Erreichung dieser und anderer Ziele sieht die vorliegende Erfindung einen monolithischen Thyristor vor, welcher einen Vertikalthyristor umfaßt, der auf der Vorderseite einen lokalisierten Anodenbereich und auf der Rückseite eine Kathodenmetallisierung aufweist, welche im wesentlichen diese gesamte Rückseite eines Halbleiterplättchens bzw. -chips bedeckt, wobei der Thyristor des weiteren an der Vorderseite einen Lateralthyristor aufweist, dessen Anodenbereich und Anoden-Gate-Bereich dem Anodenbereich und dem Anoden-Gate- Bereich des Vertikalthyristors entsprechen. Das Gate des Vertikalthyristors entspricht der Kathode oder dem Kathoden-Gate des Lateralthyristors; der Kathoden-Gate-Bereich bzw. die Kathode des Lateralthyristors ist mit der Kathode des Vertikalthyristors verbunden.
Mit anderen Worten sieht die Erfindung einen Thyristor vor, der umfaßt: ein N-Substrat; auf der Vorderseite einen mit einer Anodenmetallisierung überzogenen Anodenbereich vom P-Typ; auf der Rückseite eine P-Schicht, in welcher ein N-Kathodenbereich ausgebildet ist, wobei diese Rückseite mit einer Kathodenmetallisierung überzogen ist und diese Schichten insgesamt einen Vertikalthyristor bilden; in dem Substrat an der Vorderseite einen P-Graben bzw. -Schacht, in welchem eine N- Zone ausgebildet ist, wobei dieser Graben bzw. Schacht und diese Zone mit dem Substrat und dem Anodenbereich einen Lateralthyristor bilden; einen elektrisch mit dem genannten P-Graben bzw. - Schacht oder mit der genannten N-Zone verbundenen Gate-Anschluß; sowie eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode und der genannten N-Zone bzw. dem genannten P-Graben bzw. -Schacht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Kathodenbereich des Vertikalthyristors mit Emitter-Kurzschlüssen versehen ist und daß der Kathodenbereich des Lateralthyristors frei von Emitter-Kurzschlüssen ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß ein Umfangsbereich vom P-Typ sich von der Ober- bzw. Vorderseite zur Unter- bzw. Rückseite des Thyristors erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Fall einer Verbindung zwischen dem Kathoden-Gate-Bereich des Lateralthyristors und der Kathodenmetallisierung die genannte Verbindung durch eine Kontinuität zwischen dem genannten Gate- Bereich und dem genannten Umfangsbereich gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Fall einer Verbindung zwischen dem Kathodenbereich des Lateralthyristors und der Kathodenmetallisierung die genannte Verbindung durch eine die Kathode des Lateralthyristors und die Oberseite des genannten Umfangsbereichs verbindende Metallisierung gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anordnung von Thyristoren mit gemeinsamen Gates und gemeinsamen Kathoden, welche aus einer Parallelanordnung von Thyristoren der oben definierten Art besteht, wobei die Kathoden dieser Thyristoren auf ein und demselben Kühlkörper montiert sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist diese Thyristoranordnung mit gemeinsamen Gates und gemeinsamen Kathoden in monolithischer Form ausgebildet. Mehrere Vertikalthyristoren sind in ein und demselben Substrat parallel zueinander angeordnet. Diese Anordnung umfaßt zusätzliche gemeinsame Kathoden-Gate-Bereiche und Kathodenbereiche eines Lateralthyristors, die sich jeweils in die Anoden-Gate-Bereiche Bereiche und Anodenbereiche jedes der Vertikalthyristoren fortsetzen.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren im einzelnen erläutert; in der Zeichnung zeigen:
die bereits beschriebenen Figg. 1 bis 3 den Stand der Technik und die Problemstellung,
Fig. 4 in Schnittansicht einen Thyristor gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5A in Schnittansicht eine erste Art der Anschlußverbindung bzw. Schaltung eines Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung und die
Figg. 5B und 5C entsprechende Ersatzschaltbilder,
Fig. 6A in Schnittansicht eine zweite Art der Anschlußverbindung bzw. Schaltung eines Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung und die
Figg. 6B und 6C entsprechende Ersatzschaltbilder,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel des Thyristors gemäß Fig. 5A,
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Thyristors gemäß Fig. 6A,
Figg. 9A und 9B Beispiele von Thyristorschaltungen, sowie
Fig. 10 eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Aggregat von zwei parallelen Thyristoren mit gemeinsamer Kathode und Steuerung mittels Kathoden-Gate.
In den verschiedenen Schnittansichten der Halbleiterbauteile sind die Abmessungen ersichtlich nicht maßstabsgetreu und insbesondere die Dicken und die seitlichen oder Lateralabmessungen der Schichten zum leichteren Verständnis der Figuren und zur Vereinfachung der Zeichnungsdarstellung willkürlich vergrößert oder verkleinert.
Fig. 4 zeigt in Schnittansicht einen Thyristor gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Thyristor ist auf der Grundlage eines Substrats N2 vom N-Typ ausgebildet, dessen Unter- oder Hinterseite mit einer Schicht P1 vom P-Typ überzogen ist, in welcher ein Kathodenbereich N1 vom N-Typ ausgebildet ist, der in herkömmlicher Weise Unterbrechungen zur Bildung von Emitter-Kurzschluß-Bereichen aufweisen kann. Die Hinter- bzw. Unterseite ist im wesentlichen ganzflächig mit einer Kathodenmetallisierung überzogen. Der Bereich N1 ist mit einem in dem Substrat N2 von der Vorderseite des Substrats her ausgebildeten Bereich P2 ausgerichtet. Der Bereich P2 bildet die Anode eines Thyristors und ist mit einer Anodenmetallisierung A versehen. Außerdem ist in dem Bereich N2 ein Graben bzw. Schacht P3 vom P-Typ ausgebildet, innerhalb welchem ein N-Bereich N3 hergestellt ist. Der Graben bzw. Schacht P3 ist mit einer Metallisierung g und der Bereich N3 mit einer Metallisierung c verbunden.
Somit weist der Thyristor gemäß Fig. 4 an der Rück- bzw. Unterseite eine einzige Kathodenmetallisierung auf; eine Anodenmetallisierung und zusätzliche Metallisierungen g und c finden sich auf der Vorderseite.
Man erkennt in dieser Figur einen Vertikalthyristor TV mit den Schichten P2, N2, P1, N1, und einen Lateralthyristor t1 auf der Vorderseite mit den Schichten N3, P3, N2, P2. Der Bereich N1 ist in herkömmlicher bekannter Weise mit Emitter- Kurzschlüssen versehen, damit der Hauptthyristor einen hohen Haltestrom IH und eine hohe Unempfindlichkeit für dv/dt- Triggerung aufweist. Demgegenüber ist der Bereich N3 nicht mit Emitter-Kurzschlüssen versehen, damit der Lateralthyristor eine hohe Einschalt- bzw. Schließ-Empfindlichkeit besitzt.
Für den Fachmann ist klar, daß die Bereiche P2 bzw. N1 jeweils den größten Teil der Oberfläche der Ober- bzw. Unterseite des Bauteils einnehmen.
Das Bauteil aus Fig. 4 kann auf zweierlei Art angeschlossen bzw. geschaltet werden.
In einer ersten, in Fig. 5A veranschaulichten Anschluß- bzw. Schaltungsweise ist der Anschluß c mit dem Anschluß K verbunden, der Anschluß g bildet den Gate-Anschluß G des Bauteils.
Die Arbeits- bzw. Betriebsweise dieser ersten Anschluß- bzw. Schaltungsart wird unter Bezugnahme auf das Ersatzbild in Form der Schichtenfolge aus Fig. 5B oder unter Bezugnahme auf das Ersatzschaltschema in Form einer Schaltung gemäß Fig. 5C erläutert. Der Lateralthyristor P2-N2-P3-N3 und der Vertikalthyristor P2-N2-P1-N1 haben ihre Anodenschichten und ihre Anoden-Gate-Schichten gemeinsam. Ihre Kathoden N3 und N1 sind miteinander verbunden. Daher wird, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen A und K positiv ist und ein Signal an den Anschluß G gelegt wird, der Lateralthyristor P2-N2- -P3-N3 leitend zwischen den Anschlüssen A und K. Unmittelbar danach wird, vorausgesetzt, daß zwischen den Bereichen P2-N2 ein Strom fließt, der Vertikalthyristor P2-N2-P1-N1 ebenfalls leitend. Seine Auslösung bzw. Triggerung kann mit einer Auslösung bzw. Triggerung durch einen Anoden-Gate- Strom verglichen werden. Sobald der Vertikalthyristor leitend wird, da er parallel zu dem Lateralthyristor liegt, seine Oberfläche viel größer und sein Widerstand im leitenden Zustand viel kleiner ist, bleibt dieser Vertikalthyristor leitend, und der Lateralthyristor wird wieder gesperrt, da der ihn durchfließende Strom kleiner als sein Haltestrom wird.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß das Gesamtgebilde bzw. -aggregat, von den Anschlußklemmen A, K und G (g) aus gesehen, wie ein Thyristor mit Kathoden-Gate arbeitet, in welchem die Auslösung bzw. Kipp-Triggerung durch Anlegen einer positiven Gate-Spannung relativ bezüglich der Kathodenspannung erfolgt. Abgesehen von dem Umstand, daß dieser Aufbau Montagearten mit der Kathode auf einem Kühlkörper ermöglicht, hat dieser Aufbau den Vorteil, daß die Einschalt- bzw. Schließparameter, d. h. die Empfindlichkeit für den Gate-Strom, an den Lateralthyristor t1 geknüpft sind, während die Parameter für das Ausschalten bzw. Öffnen oder für die parasitäre Auslösung bzw. Triggerung (der Haltestrom IH und die dV/dt-Empfindlichkeit) an den Aufbau des Vertikalthyristors TV geknüpft sind. Es ist daher möglich, diese verschiedenen Parameter unabhängig voneinander zu optimieren.
In einer in Fig. 6A veranschaulichten zweiten Art der Anschlußverbindung bzw. Schaltung ist der Anschluß g mit dem Anschluß K verbunden, und der Anschluß c bildet den Gate- Anschluß G des Bauteils.
Die Arbeits- und Funktionsweise dieser zweiten Art der Anschlußverbindung bzw. Schaltung wird unter Bezugnahme auf das Ersatzschema in Schichtenform gemäß Fig. 6B oder auf das Ersatzschaltbild in Form der Schaltung nach Fig. 6C erläutert. Der Lateralthyristor P2-N2-P3-N3 und der Vertikalthyristor P2-N2-P1-N1 haben ihre Anoden- und Anoden-Gate- Schichten gemeinsam. Die Kathoden-Gate-Schicht des Lateralthyristors ist mit der Kathode K des Vertikalthyristors verbunden. Der Lateralthyristor t1 wird ausgelöst bzw. getriggert, wenn seine Anode positiv bezüglich seiner Kathode ist und wenn die Spannung an dem Anschluß G (oder c) negativ bezüglich der Spannung an dem Anschluß K ist. Danach löst, wie zuvor, der Vertikalthyristor TV aus, und der Lateralthyristor geht in den Sperrzustand über.
Man erhält somit wieder einen wie einen Thyristor mit Kathoden-Gate arbeitenden Aufbau, in dem jedoch die Auslösung bzw. Triggerung erfolgt, sobald das Gate negativ bezüglich der Kathode ist. Außerdem besteht, wie im zuvor beschriebenen Beispiel, eine Trennung zwischen den Parametern für die Einschaltung und den Parametern für die Öffnung bzw. Ausschaltung und die parasitäre Auslösung bzw. Triggerung.
In der Praxis kann das Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weisen hergestellt werden, insbesondere was die Verbindung zwischen dem Anschluß g oder c und dem Kathoden-Anschluß (auf der Rückseite) betrifft.
- Das Bauteil nach Fig. 4 kann in einem Gehäuse untergebracht werden, wobei die vier Anschlüsse A, K, g und c zugänglich sind und der Benutzer die Wahl der äußeren Verbindung zwischen dem Anschluß g oder c und dem Anschluß K trifft. Diese Lösung ist durchaus praktikabel, da sich im Fall einer schlechten Montage keine Unfall- oder Zerstörungsgefahr ergibt. Wenn der Benutzer eine positive Gate- Spannung anlegt, im Fall der Verbindung des Anschlusses g mit dem Anschluß K, oder eine negative Spannung, im Fall der Verbindung des Anschlusses c mit dem Anschluß K, so wird ganz einfach das Bauteil nicht funktionieren, und es reicht aus, die Polarität der Steuerspannung zu ändern oder die Anschlüsse umzukehren.
- Die Anschlußverbindung zum Inneren des Gehäuses kann über einen Metalleiter erfolgen, beispielsweise einen Aluminiumdraht.
- Die Anschlußverbindung kann in integrierter Weise ausgeführt werden, wie dies in den Figg. 7 und 8 dargestellt ist.
Fig. 7 entspricht einer integrierten Ausführungsform der Anordnung von Fig. 5A. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Kathodenmetallisierung c des Lateralthyristors t1 bis zum Kontakt mit der Lateraldiffusion vom P-Typ (2-3), die mit der Schicht P1 der Rückseite verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Metallisierung c nicht mit einem äußeren Anschluß verbunden.
Fig. 8 entspricht einer integrierten Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 6A. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der Bereich P3 bis zum Kontakt mit der Lateraldiffusion 2-3, die mit der Rückseite verbunden ist, und die Metallisierung c entspricht dem Steueranschluß G des Thyristors gemäß der Erfindung.
Wohlgemerkt, dienen die verschiedenen Schnittansichten der Figg. 4, 5A, 6A, 7 und 8 nur der Veranschaulichung; in Wirklichkeit besteht nicht notwendigerweise eine Ausrichtung der Metallisierungen c, g und A in einer Schnittebene.
Zwar kann der Thyristor gemäß der vorliegenden Erfindung isoliert Anwendung finden mit den vorstehend dargelegten Vorteilen; eine ganz spezielle Anwendung findet er jedoch in Anordnungen, in welchen zwei (oder mehr) Thyristoren mit gemeinsamen Kathoden und gemeinsamen Gates verbunden sind. Eine derartige Anordnung von zwei Thyristoren T1, T2 mit gemeinsamen Kathoden K und gemeinsamen Gates G ist in Fig. 9A veranschaulicht. Diese Thyristoren haben Anoden, die mit A1 bzw. A2 bezeichnet sind. Eine derartige Anordnung findet sich beispielsweise in bestimmten steuerbaren Brückenschaltungen, wie beispielsweise in Fig. 9B veranschaulicht, wo eine Wechselspannung zwischen den Anoden A1 und A2 angelegt wird. Diese Anoden sind über Dioden D1 bzw. D2 mit einem ersten Gleichspannungsanschluß A verbunden, der Anschluß K bildet einen zweiten Gleichspannungsanschluß. In Fig. 9B ist eine Einphasen-Anordnung gezeigt, jedoch könnte zur Bildung einer Dreiphasen-Anordnung ein Zweig hinzugefügt werden.
Zur Schaffung der Thyristoren T1 und T2 mit gemeinsamen Kathoden auf ein und derselben Kühlvorrichtung könnte man zwei Thyristoren gemäß der vorliegenden Erfindung in Parallelanordnung verwenden. Auch besteht, wie in Fig. 10 gezeigt, die Möglichkeit der Schaffung eines integrierten Aufbaus, in welchem man rechts und links vertikale Thyristorstrukturen P21-N2-P1-N11 bzw. P22-N2-P1-N12 nach Art der Strukturen von Fig. 4 erkennt und im Mittelteil zusätzliche Bereiche N3 und P3. Der Anschluß c oder der Anschluß g können mit dem Anschluß K verbunden werden, je nachdem, ob eine Steuerung mittels negativer oder positiver Gate-Spannung relativ bezüglich der Kathode gewünscht wird. Somit wird beim Anlegen einer Steuerspannung derjenige der Thyristoren T1 und T2 leitend, dessen Anode positiv bezüglich der Kathode ist.
Der Fachmann ist in der Lage, unter Anwendung der herkömmlichen Entwurfsregeln für Thyristoren für jede der Aufbauten nach den Figg. 4, 5A, 6A, 7, 8 und 10 geeignete Schicht- Topographien und geeignete Dotierungspegel zu wählen. Beispielsweise können die Dotierungspegel der verschiedenen Schichten wie folgt sein:
Schicht N2: 5.10¹³ bis 10¹&sup5; Atome/cm³,
Schicht P1, Bereiche P2 und P3: 10¹&sup7; bis 10¹&sup9; Atome/cm³,
Bereiche N1 und N3: 10²&sup0; bis 10²¹ Atome/cm³.
Wenngleich dies die Herstellung vereinfacht, brauchen die Dotierungspegel der Schichten und Bereiche P1, P2 und P3 nicht notwendigerweise gleich zu sein und können unterschiedlich gewählt werden, um bestimmte Betriebskenngrößen und -eigenschaften des Thyristors zu optimieren.
In der vorliegenden Beschreibung wurde der erfindungsgemäße Aufbau in Ausbildung ausgehend von einem dicken (einige Zehn Mikrometer) N-Substrat dargelegt, in welchem die anderen Schichten oder Bereiche durch Diffusion oder Implantation erzeugt werden. Jedoch kann jede andere bekannte Herstellungsart von Thyristoren Anwendung finden. Beispielsweise kann man von einem dem Bereich P1 entsprechenden Substrat vom P-Typ ausgehen, auf welchem die Schicht N2 durch Epitaxialwachstum erzeugt wird.
Des weiteren wurde in sämtlichen Figuren jeweils ein Aufbau vom Graben- bzw. Schacht-Thyristortyp beschrieben. Die vor liegende Erfindung eignet sich jedoch in gleicher Weise zur Anwendung mit anderen Thyristoraufbauten, beispielsweise Mesa- oder Planarstrukturen.

Claims

1. Monolithischer Thyristor, welcher einen Vertikalthyristor (TV) umfaßt, der auf der Vorderseite einen lokalisierten Anodenbereich (P2) und auf der Rückseite eine Kathodenmetallisierung (K) aufweist, welche im wesentlichen diese gesamte Rückseite bedeckt,

dadurch gekennzeichnet, daß:

- der Thyristor des weiteren an der Vorderseite einen Lateralthyristor (t1) aufweist, dessen Anodenbereich und Anoden-Gate-Bereich dem Anodenbereich und dem Anoden-Gate- Bereich des Vertikalthyristors entsprechen,

- das Gate des Thyristors der Kathode (c) oder dem Kathoden-Gate (g) des Lateralthyristors entspricht, und

- das Kathoden-Gate (g) bzw. die Kathode (c) des Lateralthyristors mit der Kathode des Vertikalthyristors verbunden ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, welcher umfaßt:

- ein N-Substrat (N2);

- auf der Vorderseite einen mit einer Anodenmetallisierung überzogenen Anodenbereich vom P-Typ (P2);

- auf der Rückseite eine P-Schicht (P1), in welcher ein N-Kathodenbereich (N1) ausgebildet ist, wobei diese Rückseite mit einer Kathodenmetallisierung überzogen ist und diese Schichten insgesamt einen Vertikalthyristor (TV) bilden;

dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor des weiteren umfaßt:

- in dem Substrat an der Vorderseite einen P-Graben bzw. -Schacht (P3), in welchem eine N-Zone (N3) ausgebildet ist, wobei dieser Graben bzw. Schacht und diese Zone mit dem Substrat (N2) und dem Anodenbereich (P2) einen Lateralthyristor (t1) bilden;

- einen elektrisch mit dem genannten P-Graben bzw.

- Schacht oder mit der genannten N-Zone verbundenen Gate- Anschluß (G); sowie

- eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode und der genannten N-Zone bzw. dem genannten P-Graben bzw.

- Schacht.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenbereich (N1) des Vertikalthyristors (TV) mit Emitter-Kurzschlüssen versehen ist und daß der Kathodenbereich (N3) des Lateralthyristors frei von Emitter-Kurzschlüssen ist.

4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Umfangsbereich vom P-Typ (2, 3) aufweist, der sich von seiner Ober- bzw. Vor derseite bis zu seiner Rück- bzw. Unterseite erstreckt.

5. Thyristor nach Anspruch 4, mit einer Verbindung zwischen dem Kathoden-Gate-Bereich (P3) des Lateralthyristors und der Kathodenmetallisierung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verbindung durch eine Kontinuität zwischen dem genannten Gate-Bereich (P3) und dem genannten Umfangsbereich gebildet wird.

6. Thyristor nach Anspruch 4, mit einer Verbindung zwischen dem Kathodenbereich (N3) des Lateralthyristors und der Kathodenmetallisierung, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verbindung durch eine die Kathode des Lateralthyristors und die Oberseite des genannten Umfangsbereichs verbindende Metallisierung gewährleistet wird.

7. Thyristoranordnung mit gemeinsamen Gates und gemeinsamen Kathoden, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Parallelanordnung von Thyristoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht, wobei die Kathoden dieser Thyristoren auf ein und demselben Kühlkörper montiert sind.

8. Thyristoranordnung mit gemeinsamen Gates und gemeinsamen Kathoden in monolithischer Ausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Vertikalthyristoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in ein und demselben Substrat parallel zueinander angeordnet sind und daß die Anordnung zusätzliche gemeinsame Kathoden-Gate-Bereiche und Kathodenbereiche eines Lateralthyristors umfaßt, die sich jeweils in die Anoden-Gate-Bereiche und Anodenbereiche jedes der Vertikalthyristoren fortsetzen.