DE1816009A1

DE1816009A1 - Thyristor

Info

Publication number: DE1816009A1
Application number: DE19681816009
Authority: DE
Inventors: Spicar Dr Phil Erich Gustav; Boksjoe Carl Ingvar; Karl-Erik Olsson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1967-12-28
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1969-12-04
Also published as: DE1816009B2; DE1816009C3; CH486776A; SE352779B; NL6818198A; GB1240510A; FR1599432A

Description

Thyristor

Die Erfindung "betrifft einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten aus abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen, von denen die beiden äußeren Schichten, die Emitterschichten, einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand und die beiden zwischenliegenden Schichten, die Basisschichten, einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand haben und eine der Emitterschichten und die beiden Basisschichten eine erste Transistorsektion und die zweite Emitterschicht und die Basisschichten eine zweite Transistorsektion bilden. Der Thyristor hat weiter Zündorgane, um ihn innerhalb eines gewissen Bereichs, des Zündbereichs, zu zünden.

Es ist bekannt, daß man sich hinsichtlich der !Funktion einen Thyristor als Zusammensetzung zweier Transistorsektionen vorstellen kann, wobei die beiden Emitterschichten Emitter je einer Transistorsektion sind und jede Basisschicht die Basis des einen Transistors und den Kollektor des anderen Transistors bildet und die Stromverstärkung wenigstens des einen Transistors mit dem Strom zunimmt. Die Stromverstärkung einer Transistorsektion

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wird hier als das Verhältnis zwischen dem Minoritätsladungsträgerstrom in der Basisschicht beim Kollektorübergang und dem totalen Strom durch den Emitterübergang definiert.

An einen Thyristor werden u.a. zwei Forderungen gestellt. Erstens muß er eine gute Zündfestigkeit haben, d.h. die Fähigkeit, ohne schädliche Erwärmung einen schnell anwachsenden Belastungsstrom während des Zündverlaufs zu vertragen. Das ist besonders dann wichtig, wenn ein mit einem RC-Kreis mit niedrigem Widerstandswert parallelgeschalteter Thyristor bei hoher Spannung gezündet wird. Große Zündfestigkeit erhält man, wenn man den Zündverlauf schnell gestaltet, so daß die während des Zündverlaufs entwickelte Energiemenge niedrig gehalten wird. Einen schnellen Zündverlauf erhält man, wenn man derjenigen Transistorsektion eine hohe Stromverstärkung gibt, die bei der Zündung mitwirkt, d.h. bei einem Triodenthyristor der Transistorsektion, auf deren Basisschicht, der sogenannten Zündschicht, die Steuerelektrode angebracht ist. Hohe Stromverstärkung wird wiederum z.B. dadurch erhalten, daß man die Zündschicht dünn macht, indem man den Minoritätsladungsträgern in dieser Schicht eine hohe Lebensdauer gibt oder indem man die Transistorsektion mit einem hohen Emitterwirkungsgrad ausführt.

Zweitens wird von einem Thyristor eine hohe sogenannte dV/dt-Festigkeit verlangt, d.h. die Fähigkeit, während eines Blockierungsintervalls einer hohen positiven Zeitderivate der aufge-

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drückten Spannung zu widerstehen, ohne daß eine Zündung stattfindet. Diese Eigenschaft wird erhalten, wenn man den Thyristor schwerzündlich macht, was durch eine niedrige Stromverstärkung der beiden Transistorsektionen gefördert wird.

Die Forderungen nach Zündfestigkeit und dV/dt-Festigkeit widersprechen also einander, so daß die bisher bekannten Thyristoren auf einem Kompromiss beruhen. Bei einem erfindungsgemäßen Thyristor ist es aber möglich, in beiden Richtungen gleichzeitig besonders gute Eigenschaften zu erzielen. Ein Thyristor nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Transistorsektionen des Thyristors eine größere Stromverstärkung innerhalb des Zündbereichs als im Übrigen hat.

Durch die größere Stromverstärkung im Zündbereich erhält also der Thyristor eine gute Zündfestigkeit. Die dabei innerhalb dieses Bereichs verschlechterte dV/dt-Festigkeit kann wieder erhöht werden, z.B. in bekannter Weise durch eine negative Vorspannung auf der Steuerelektrode oder auf besonderen Vorspannungaelektroden. Die niedrigere Stromverstärkung außerhalb des Zündbereichs ermöglicht eine hohe dV/dt-Festigkeit in diesem Bereich und dadurch in dem Thyristor als Ganzes.

Die größere Stromverstärkung innerhalb des Zündbereichs kann dadurch erhalten werden, daß wenigstens eine der Basisschichten mit einer kleineren Dicke innerhalb des Zündbereichs als im

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übrigen ausgeführt ist, zweckmäßig dadurch, daß auf der Basisschicht auf ihrer der Emitterschicht zugekehrten Seite eine Vertiefung innerhalb des Zündbereichs angeordnet wird.

Die Emitterschicht kann mit einer gegenüber der Vertiefung angebrachten öffnung versehen werden, durch die eine Steuerelektrode zur Basissehicht eingeführt und an dieser angeschlossen ist. Die Steuerelektrode kann zum Zuführen von Zündstrom benutzt werden oder auch dazu, um der Basissehicht eine negative Vorspannung im Verhältnis zur Kathode zu geben - dies gilt bei einem Thyristor, bei dem diese Basisschicht P-leitend ist - oder zu beiden Zwecken.

Am einfachsten macht man diese Vertiefung und öffnung im wesentlichen kreisförmig oder konzentrisch. Es ist von größter Bedeutung, daß die Emitterschicht in Kontakt mit der Bodenfläche der Vertiefung ist, weshalb die öffnung in diesem Pall mit einem kleineren Durchmesser als die Vertiefung ausgeführt wird.

Die größere Stromverstärkung im Ztindbereich kann auch dadurch erreicht werden, daß die Trägerlebensdauer in wenigstens einer der Basisschichten in diesem Bereich größer gemacht wird als im übrigen. Hierfür ist keine Bearbeitung der Thyristoroberfläche notwendig, sondern dieser Effekt kann dadurch erreicht werden, daß man z.B. durch Diffusion mit einem maskierten Zündbereich der Basisschieht außerhalb des Zündbereichs eine größere Konzentration eines die Lebensdauer der Träger herabsetzenden schweren Metalls, vorzugsweise Gold, gibt als innerhalb dieses Bereichs.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor und

Fig. 2 einen Querschnitt eines optisch gesteuerten Thyristors nach der Erfindung.

.Auf einer Bodenplatte 1 ist ein monokristallinischer Siliziumkörper angebracht, der die P-Emitterschicht 2, Η-Basisschicht 3, P-Basisschicht 4 (Zünd-Schicht) und H-Emitterschicht 5 enthält. Die Emitterschichten sind verglichen mit den Basisschichten stark dotiert, und die Zündschicht 4 ist stärker dotiert als die N-Basissehicht 3. Auf dem N-Emitter 5 ist der Kathodenkontakt 5' mit der Kathodenzuleitung 7 angebracht, und auf der Bodenplatte 1, die gleichzeitig den Anodenkontakt bildet, die Anodenzuleitung 6. Der Thyristor ist in Reihe mit einer Belastung ä an der Weehselspannungsquelle 9 angeschlossen. Durch Variieren des Zeitpunktes für die Zündung des Thyristors im Verhältnis zur speisenden Spannung kann der Strom durch die Belastung gesteuert werden. Die Basisschicht 4 hat in ihrem zentralen Teil eine Vertiefung 4¹, im Zentrum des Bodens der Vertiefung ist die Steuerelektrode 10 angeordnet. Dieser wird während des Sperr- und Blockierungsintervalls des Thyristors eine negative Vorspannung und - wenigstens zu Anfang des stromführenden Intervalls - eine positive Zündspannung von dem aus Spannungsquellen 12 und 13 und einem Umschalter H bestehenden,

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schematisch gezeigten Steuergerät zugeführt. Der Umschalter ist in der Lage gezeigt, die eine negative Vorspannung gibt. Die Basisschicht 4 hat am Rande Elektroden 15 und 15', die über einen Kondensator 16 mit der Kathode 7 verbunden sind und einen niederohmigen Stromweg vorbei am EmitterÜbergang bei einer steil ansteigenden Biockierungsspannung und dadurch einen Schutz gegen dV/dt-Zündung ergeben.

Bei der Herstellung des Thyristors geht man zweckmäßig von einer schwach N-dotierten Siliziumscheibe aus und erzeugt die P-Basisschicht 4 und P-Emitterschicht 2 durch Eindiffusion z.B. von Gallium. Durch Ätzen wird auf der einen Fläche der Scheibe eine Vertiefung 4' gemacht, die beispielsweise eine Tiefe von 10 /um haben kann. Eine mit einem zentralen Loch mit einem kleineren Durchmesser als die Vertiefung versehene Metallfolie z.B. aus einer Gold-Antimonlegierung (Kathodenkontakt) wird danach an der genannten Fläche festlegiert, wobei sich die N-Emitterschicht 5 bildet.

Weil der Abstand zwischen der Emitterschicht 5 und der Basisschicht 3 in Boden der Vertiefung verhältnismäßig klein ist, erhält man eine große Stromverstärkung in diesem Bereich und damit eine schnelle Zündung und gute Zündfestigkeit. Die außerhalb des Zündbereiches relativ dicke Basisschicht 4 ergibt dort eine niedrige Stromverstärkung und damit gute dV/dt-Festigkeit,

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zu welcher auch die negative Vorspannung der Steuerelektrode 10 und der Elektroden 15 und 15¹ und der Kondensator 16 beitragen .

Fig. 2 zeigt einen optisch gesteuerten Thyristor nach der Erfindung. Der Halbleiterkörper ist in derselben Weise wie oben beschrieben aufgebaut, mit dem Unterschied, daß nur der Kathodenkontakt 5', aber nicht die Emitterschicht 5 mit einer öffnung versehen ist. Am Rande der Basisschicht 4 sind Vorspannungselektroden 17 und 18 angebracht und an der Spannungsquelle 19 angeschlossen, die der Basisschicht eine negative Vorspannung im Verhältnis zur Kathode gibt. Ein Steuergerät 20, das in irgendeiner der vielen, an sich bekannten Weisen ausgeführt sein kann, liefert Stromimpulse an die Lichtdiode 21 mit einer mit Hilfe des Steuersignals IT variablen Phasenlage im Verhältnis zur Speisespannung. Die von der Diode dabei ausgesandten Lichtimpulse dringen durch die Emitterschic&t in die Basisschicht 4 im Zündbereich (unter der Vertiefung 4¹) ein und erzeugen dort so viele Landungsträger pro Zeiteinheit, daß der Thyristor zünaet. Das Licht kann z.B. auf Erdpotential erzeugt und dem Thyristor über irgendeine Art von Lichtleiter zugeführt werden.

Ein erfindungsgemäßer Thyristor kann auch hergestellt werden₅ ohne daß eine Vertiefung in der Basisschicht gemacht zu werden braucht. Durch Eindirfusion eines P-dotierten Störstoffes in eine schwach N-leitende Siliziumscheibe werden die eine Emitter-

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schicht des Thyristors und seine beiden Basisschichten erhalten, wobei die die Lebensdauer der Träger beeinflussenden Faktoren bei der Herstellung so gewählt werden, daß eine hohe Minoritätsträgerlebensdauer in der Basisschicht erhalten wird. Die Siliziumscheibe wird danach mit einer Phosphorschicht auf ihren beiden Flächen versehen, wonach die Phosphorschicht durch Ätzung auf beiden SEiten entfernt wird, doch nicht auf dem zentralen Teil, der den Zündbereich des Thyristors ausmachen soll. Hiernach wird Gold in das Kristall in einer so abgewogenen Menge hineinen iiundiert, daß eine zweckmäßige Herabsetzung der Trägerlebensdauer erhalten wird. Die verbleibenden Teile in der Phosphorschicht verhindern durch ihre Getterwirkung, daß das Gold in den zentralen Teil des Thyristors eindringt. Schließlich wird, z.B. durch Legierung, der zweite Emltterschichtteil des Thyristors erzeugt. Durch dies Verfahren erhält man im Zündbereich bei dem fertigen Thyristor eine lange Ladungsträgerlebensdauer iind gute Zündfestigkeit. Im übrigen erhält man eine kurze Lebanndauer, geringe Stromverstärkung und gute dV/dt-FestigkeiA . Ein derart hergestellter Thyristor wird zweckmäßig in derselben Weise wie die vorhin beschriebenen Thyristoren mit Organen zum weiteren Erhöhen der dV/di •-FeBtigl'ej t, speziell .innerhalb Uf n Zündberpichs, versehen. Dan Verjähren luuin fov/ohl bei Herstellung von Thyristoren mit einer Zündelektrode al π nur}\ bei optisch gesteuerte Thyristoren verwendet werden. Die Lehenrdauer wird in beiden Basisschichten den Thyristors durch die gute Ein-

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dringungsfähigkeit des Goldes beeinflußt. Da bei einem solchen Thyristor wie oben beschrieben die Lebensdauer größer in der dicken und schwächer dotierten N-Basisschicht ist, beeinflußt die Senkung der Lebensdauer am meisten die Stromverstärkung in der PNP-Transistorsektion des Thyristors.

Ein erfindungsgemäßer Thyristor kann in vielerlei Weisen im Rahmen der Erfindung ausgeführt werden. So können z.B. beide Basisschichten mit Vertiefungen versehen werden, wodurch die Stromverstärkung in beiden Transistorsektionen beeinflußt wird, die Vorspannungselektroden und eventuell andere Organe zum Erhöhen der dV/dt-lestigkeit können in anderen an sich bekannten Weisen ausgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche;

Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen, von denen die beiden äußeren Schichten, die Emitterschichten, verhältnismäßig niederohmig und die beiden zwischenliegenden Schichten, die Basisschichten, verhältnismäßig hochohmig sind, eine der Emitterschichten und die beiden Basisschichten eine erste Transistorsektion, und die zweite Emittersehicht und die Basisschichten eine zweite Transistorsektion bilden, und mit Organen den Thyristor innerhalb eines gewissen Bereichs, des Zündbereichs, zu zünden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Transistorsektionen des Thyristors eine größere Stromverstärkung innerhalb des Zündbereichs als im übrigen hat.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Basisschichten mit geringer Dicke innerhalb des Zündbereichs als im übrigen ausgeführt ist.
3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht auf ihrer der anliegenden Emitterschicht zugekehrten Seite eine Vertiefung im Zündbereich hat.
4· Thyristor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterschicht eine gegenüber der Vertiefung angeordnete Öffnung hat, durch die eine Steuerelektrode zur Basisschicht eingeführt und an dieser angeschlossen ist.

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ORIQiNAL INSPECTEO

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5· Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung und die Öffnung im wesentlichen kreisförmig und konzentrisch sind und die Öffnung einen kleineren Durchmesser als die Vertiefung hat·
6. Thyristor nach einem oder einigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerlebensdauer in v/enigstens einer der Basisschichten des Thyristors höher innerhalb des Zündbereichs als im übrigen ist.
7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor außerhalb des Zündbereichs eine höhere Konzentration von die Trägerlebensdauer verminderndem schwerem Metall,.. vorzugsweise Gold, als innerhalb des Zündbereichs hat.

B. Thyristor nach einem oder einigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zünden des Thyristors eine Lichtquelle dient, die den Zündbereich des Thyristors beleuchtet.

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BAO ORIGINAL

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