DE2408079C2

DE2408079C2 - Lichtschaltbarer Thyristor

Info

Publication number: DE2408079C2
Application number: DE2408079A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Nussbaumen Sittig
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-01-18
Filing date: 1974-02-20
Publication date: 1987-04-23
Also published as: SE7500420L; DE2408079A1; US3987476A; JPS50104877A; CA1021446A; CH567803A5; SE405660B; JPS584464B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen lichtschaltbaren Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Thyristor ist beispielsweise aus der US-PS 37 19 863 bekannt.
Zur Zündung von Hochleistungsthyristoren ist ein beträchtlicher äußerer Schaltungsaufwand erforderlich, insbesondere bei Serienschaltung von mehreren Thyristoren, wie beispielsweise in größeren Stromrichteranlagen, etwa HGUe-Ventilen. Zur Reduzierung eines solchen Schaltungsaufwandes ist es bekannt, die Thyristorstruktur potentialfrei zu zünden, z. B. durch Beaufschlagung mit einem Lichtbündel (vgl. z. B. US-PS 36 97 833). Die meisten Strukturen haben jedoch den Nachteil, daß die zur Verfügung stehende Lichtenergie nicht optimal ausgenutzt wird. Bei Silizium wirkt sich zudem die hohe Absorption für Lichtwellenlängen unter 0,51 µm sehr nachteilig aus. Andererseits muß die Lichtenergie mindestens 1,11 eV ( λ = 2,2 µm) betragen, damit Elektron-Loch-Paare erzeugt werden.
Die Absorptionskonstante von Silizium beträgt jedoch ab 2,43 eV ( λ = 0,51 µm) mehr als 10&sup4; cm^-1, so daß das Licht nur noch 1 µm tief in die Halbleiterstruktur eindringt. Um diesen Wert zu verbessern, könnte man zwar Infrarotlichtquellen hoher Energiedichte, z. B. Nd: YAG- Laser mit λ = 1,06 µm oder GaAs-Laser mit λ = 0,89 µm verwenden. Die Verwendung solcher Laser stellt jedoch einen beträchtlichen Aufwand dar. Eine weitere Möglichkeit der Lichtzündung, die indirekte Lichtzündung, bei der ein lichtempfindliches, stromverstärkendes Element beleuchtet wird, erfordert nach bisherigen Vorstellungen einen hohen Schaltungsaufwand, da einerseits der Zündstrom aus dem Hauptkreis gewonnen werden muß, andererseits aber die Spannung am lichtempfindlichen Element konstant bleiben muß, selbst wenn die Vorwärtsspannung über drei Größenordnungen variiert.
Der aus der eingangs genannten Druckschrift bekannte lichtschaltbare Thyristor stellt bereits eine wesentliche Verbesserung dar, weil hier der vorwärtssperrende pn- Übergang J&sub2; (zwischen den Zonen N _B und P _B ) an die Thyristoroberfläche gezogen ist und dort zwecks Zündung des Thyristors mit Licht beaufschlagt wird. Dadurch läßt sich das Licht direkt in die am pn-Übergang sich bildende Raumladungszone einstrahlen, ohne daß zuviel Licht in den feldfreien Bereichen unter der Oberfläche absorbiert wird. Damit erhält man zwar eine leichtere Lichtzündbarkeit. Andererseits müssen jedoch durch die Krümmung des nach oben gezogenen pn-Übergangs Einbußen bei der Vorwärtsspannungsfestigkeit in Kauf genommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen lichtschaltbaren Thyristor zu schaffen, der eine leichte Lichtzündbarkeit aufweist, ohne daß eine Verringerung der Vorwärtsspannungsfestigkeit in Kauf genommen werden muß.
Die Aufgabe wird bei einem Thyristor der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Ausbildung und besondere Dimensionierung der anodenseitigen Basiszone als ein sich durch die kathodenseitige Basiszone erstreckender und bis zur Oberfläche geführter Kanal läßt sich das Licht einerseits direkt in die an die Oberfläche tretende Raumladungszone einstrahlen. Andererseits ist der geometrische Verlauf des pn-Übergangs für eine gute Vorwärtsspannungsfestigkeit besonders günstig.
Der Thyristor ermöglicht außerdem ohne weiteres die Integration eines stromverstärkenden Elementes und läßt sich einfach herstellen.
Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 den Querschnitt durch eine Thyristorstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer als Kanal ausgebildeten n-Basiszone, und
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Thyristorstruktur gemäß Fig. 1 mit besonders günstiger Geometrie des auf der Stirnfläche austretenden pn-Übergangs.
Die Thyristorstruktur gemäß Fig. 1 umfaßt eine kathodenseitige p-Basiszone 1, in welcher eine n&spplus;-Emitterzone 2 mit aufgesetztem Kathodenkontakt K vorgesehen ist, eine an die p-Basiszone 1 anschließende anodenseitige n-Basiszone 3 sowie, in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt, eine p-Emitterzone sowie eine p&spplus;-Zone mit aufgesetztem Anodenkontakt.
Die schwach dotierte anodenseitige n-Basiszone 3 ist in einem schmalen Kanal 10 bis an die Oberfläche der Thyristorstruktur im Bereich der Kathode K geführt. Der Kanal 10 besitzt die Breite B und die von der Kathodenoberfläche 11 bis zum vorwärts sperrenden pn-Übergang 13 gerechnete Tiefe L.
Der Kanal 10 ist von einer n&spplus;-Zone 7 und einer direkt anschließenden p&spplus;-Zone 8 umgeben, welche von einem gemeinsamen Kontakt 9 überbrückt sind, so daß sich insoweit die bekannte Struktur eines "Amplifying Gate" (vgl. z. B. "Dynamische Probleme der Thyristortechnik", VDE- Verlag GmbH, Berlin, 1971, S. 128-138) ergibt.
In einer derartigen Thyristorstruktur tritt bei Anlegen einer Spannung in Durchlaßrichtung die folgende Stromdichte J auf: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wo:

J _i Generationsstrom (z. B. thermische Paarerzeugung)
γ _h,γ _e Wirkungsgrade der pn- und n&spplus;p-Übergänge zwischen den Zonen 4/3 bzw. 2/1
β _e, β _h Transportfaktoren für die Minoritätsträger in den neutralen Bereichen der Zone 1 bzw. 3.

Vor dem Zünden ist J die Stromdichte des Sperrstroms.
Damit der Thyristor zündet, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:
γ _h (J) β _h (J) + γ _e (J) β _e = 1.
Der einfachste Weg, diese Bedingung zu erfüllen, besteht darin, die Abhängigkeit der Parameter von der Stromdichte auszunutzen, indem man den Generationsstrom J _i erhöht.
Dieser Generationsstrom läßt sich durch Einstrahlen von Licht sehr stark erhöhen. Nimmt man an, daß zum Zünden z. B. eine Generationsstromdichte von 1 A/cm² erforderlich ist, dann ist die Trägerstromdichte G gegeben durch °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei q = elektrische Ladung eines Trägers.
Geht man jetzt z. B. von einem Nd:YAG-Laser ( λ = 1,06 µm) aus, dann beträgt die Absorptionskonstante 28 cm^-1 für die üblichen relativ geringen Dotierungen (N≤10¹&sup7; cm^-3). Der Absorptionsfaktor über eine Länge der Raumladungszone von 100 µ ist dann 0,25. Falls jedes absorbierte Lichtquant ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, resultiert eine Leistung pro Flächeneinheit von 3,4 W/cm². Wird eine Fläche von 1 mm² ausgeleuchtet, dann ist die erforderliche Leistung 34 mW. Diese Leistung muß jedoch nur während einiger µs geliefert werden.
Um wenig Licht zu verlieren, bevor die Raumladungszone X/Y erreicht wird, ist nun der Kanal 10 vorgesehen.
Bei realtiv niedriger Vorwärtsspannung wird die Raumladungszone durch die Linie Z (strichpunktiert) längs des (durch eine ausgezogene Linie dargestellten) pn-Überganges 13 zwischen den Basiszonen 1 und 3 begrenzt. Dabei bleibt ein Bereich im Zentrum des Kanals 10 zunächst neutral. Wird die angelegte Spannung jedoch erhöht, so verkleinert sich der neutrale Bereich und es wird schließlich der gesamte Kanal 10 von Ladungsträgern ausgeräumt. In Fig. 1 sind diese Verhältnisse durch die gestrichelte Linie Y für eine mittlere Vorwärtssperrspannung und durch X (punktiert) für eine höhere Vorwärtssperrspannung angedeutet. Die zum Ausräumen des Kanals notwendige Spannung U _K hängt von dem p-Profil der Basiszone 1, dem Grad der n-Dotierung der Basiszone 3 und von der Kanalbreite B ab.
Durch geeignete Wahl dieser Parameter kann ein bestimmtes Betriebsverhalten für den Thyristor gewählt werden. Wird die Vorwärtssperrspannung noch weiter erhöht, so nimmt die positive Spannung im Kanal 10 gegenüber der Kathode bzw. dem neutralen Teil der p-Zone 1 nicht weiter zu, weshalb sich auch die Raumladungszone in Oberflächennähe und auch in der p-Basiszone 1 nicht weiter ausdehnt.
Bei genügender Tiefe L des Kanals ist es demnach möglich, die Spannung zwischen dem neutralen p-Gebiet und dem Zeitraum des Kanals 10 an der Oberfläche auf einem wählbaren Wert der Grenzspannung U _K zu halten, auch wenn die Vorwärtsspannung weiter anwächst.
Die den Kanal 10 umgebende n&spplus;-Zone 8 und der gemeinsame Kontakt 9 dienen als ein integriertes, den Zündstrom verstärkendes Element ("Amplifying Gate"). Die durch die auf die Raumladungszone an der Stirnfläche 11 auftreffende Lichtstrahlung unmittelbar erzeugten Ladungsträgerpaare werden dann in dem bestehenden Feld sofort getrennt und es bildet sich ein Zündstrom aus, der wie der übliche Steuerelektrodenstrom das Verstärkerelement 7, 8, 9 und schließlich den Hauptthyristor zündet.
Zur Herstellung einer derartigen Thyristorstruktur kann beispielsweise ein schwach n-dotiertes Substrat mit einer Maske abgedeckt werden, deren Durchmesser etwas größer ist als die Kanalbreite B, etwa B + 2 L, worauf anschließend eine p-Diffusion zur Herstellung der p-Basis 1 vorgenommen wird. Dazu eignen sich beispielsweise bekannte Technologien. Auch die übrigen Teile des Thyristors werden nach bekannten Technologien hergestellt und brauchen deshalb hier nicht eigens beschrieben zu werden.
Bei der Dimensionierung eines Elementes wie in Fig. 1 kann wie folgt vorgegangen werden:
Wenn von einem handelsüblichen Thyristor ausgegangen wird, bei dem der metallurgische, vorwärtssperrende pn-Übergang (13 in Fig. 1) nach einer tiefen Aluminium-Diffusion in einem n-Substrat 95 µm unter der kathodenseitigen Stirnfläche 11 des Thyristors liegt, so beträgt also die Tiefe L des Kanals L = 95 µm. Bei dem Thyristor ist dann z. B. die Oberflächendotierung der kathodenseitigen Basiszone 1 N _A = 1,5 · 10¹&sup6; cm^-3, die n-Basisdotierung der anodenseitigen Basiszone 3 N _D = 6,5 · 10¹³ cm³.
Das Dotierungsprofil der Basiszone 1 verläuft etwa nach N (Z) = N _A erfc (Z/Z _o), wobei Z die von der Stirnfläche 11 senkrecht in den Thyristor gemessene Ortskoordinate ist und Z _o = 47 µm. Für einen solchen pn-Übergang ist die (Lawinen)durchbruchspannung etwa U = 2700 Volt. Bei dieser Spannung erstreckt sich die Sperrschicht bzw. Raumladungszone 35µm in die p-Zone 1, und 200 µm in die n-Zone 3.
Die Breite B des Kanals bestimmt sich wesentlich nach der zulässigen Potentialdifferenz U _K auf der Oberfläche 11 des Thyristors zwischen dem Zentrum des Kanals 10 und der p-Zone 1. Wird z. B. U _K = 190 V vorgeschrieben, so daß sich eine Breite der Sperrschicht im n-Gebiet der Zone 3 und 50 µm ergibt, so beträgt die Kanalbreite entsprechend B = 2 · 50 µm = 100 µm. Für Spannungen zwischen der Anode A und der Kathode K, die größer sind als U _K, ändert sich der Potentialverlauf, wie schon weiter oben gesagt bei der erfindungsgemäßen Struktur vorteilhafterweise nicht mehr.
In der Praxis ist auch die minimale Anoden-Kathoden-Spannung U _Z wichtig, bei der der Thyristor noch gezündet werden kann. Untersuchungen ergaben, daß dies bei der vorstehend erläuterten Struktur noch für U _Z = 30 Volt ohne weiteres möglich ist. Das erklärt sich daraus, daß die Kombination der Ladungsträger an der Oberfläche, die beim Zündprozeß den durch die Lichteinstrahlung erzeugten Zündstrom vermindert, für die vorgeschlagene Struktur praktisch keine Rolle spielt. Der Zündstrom wird auch nicht durch eine Rekombination der Ladungsträger im Innern des Elementes aufgrund des von der Diffusionslänge abhängigen Transportfaktors vermindert.
Um den Thyristor zu zünden, kann beispielsweise ein Zündstrom von I _Z = 100 mA benötigt werden.
Die Zahl der die Zündung bewirkenden Ladungsträgerpaare ist proportional der Fläche F = b · 1 der Sperrschicht bzw. Raumladungszone, die diese mit der Oberfläche der Stirnfläche 11 des Thyristors bildet. Bei U _Z = 30 Volt ist die Breite der Sperrschicht am pn-Übergang 13 b = 12,5 µm + 21,5 µm = 34 µm. (12,5 µm ist die Eindringtiefe in die p-Zone 1, 21,5 µm die in die n-Zone 3.) Um F möglichst groß zu machen, wird man daher die Länge 1 der Linie, auf welcher der pn-Übergang 13 die Stirnfläche 11 des Thyristors schneidet, möglichst groß machen.
Eine hierfür geeignete Lösung ist beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Kammstruktur der an die Oberfläche stoßenden n-Zone 3 bzw. 10. Bei dieser Anordnung mit B = 100 µm ist die Länge des pn-Überganges 13 I = 36 mm, wobei die Kammstruktur in einem Kreis des Durchmessers D = 3 mm untergebracht ist. Die Fläche F der Sperrschicht nimmt dann etwa ¹/&sub6; der Kreisfläche von 0,07 cm² ein.
Bei einer derartigen Anordnung muß der Teil der zur Zündung des Thyristors dienenden Lichtquelle, der auf die Fläche F abgebildet wird, etwa 2,5 · 10¹&sup9; Photonen pro Sekunde mit einer Energie > 1,1 eV ausstrahlen. Das ergibt für eine Temperatur- Lichtquelle, z. B. einen Wolfram-Draht, eine erforderliche Leistung von etwa 16 W(als Anhaltswert), die jedoch natürlich nur in Form eines Lichtblitzes von 10-100 µs Dauer zur Verfügung stehen muß.
Zweckmäßigerweise verwendet man daher als Lichtquelle eine Lichtbogenlampe.
Es mag noch erwähnt werden, daß selbstverständlich auch noch andere günstige geometrische Strukturen als die in Fig. 3 gezeigte möglich sind. Insbesondere braucht das Gebiet 10, in welchem die n-Dotierung der Basiszone 3 bis an die Oberfläche reicht, auch keineswegs zusammenhängend sein.

Claims

1. Lichtschaltbarer Thyristor mit einem Gebiet auf einer Stirnfläche (11), in welchem die anodenseitige Basiszone (3), die kathodenseitige Basiszone (1) und der zwischen beiden Basiszonen (1, 3) gebildete in Schaltrichtung sperrende pn-Übergang (13) an die Oberfläche treten, und welches mit dem das Schalten bewirkenden Lichtbündel (12) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die anodenseitige Basiszone (3) in mindestens einem sich durch die kathodenseitige Basiszone (1) erstreckenden Kanal (10) bis zu dem Gebiet auf der Stirnfläche (11) des Thytristors geführt ist,

- die Breite (B) dieses Kanals (10) gleich zweimal die Distanz ist, um die sich die bei Polung in Schaltrichtung vor dem Schalten entstehende Sperrschicht (X, Y, Z) von dem genannten pn-Übergang (13) in die anodenseitige Basiszone (3) bei einer Spannung erstreckt, die gleich der höchstzulässigen Spannung (U _K) an der Stirnfläche (11) des Thyristors zwischen dem Zentrum des Kanals (10) und der kathodenseitigen Basiszone (1) ist, und

- die Tiefe (L) des Kanals (10) gleich der Tiefe des pn-Übergangs (13) ist.

2. Lichtschaltbarer Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang (13) durch geeignete geometrische Ausbildung mit möglichst großer Länge an die Oberfläche des Thyristors tritt.

3. Lichtschaltbarer Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Basiszone (3) in einer Kammstruktur an die Oberfläche des Thyristors tritt.

4. Lichtschaltbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet auf der Stirnfläche (11) des Thyristors von einer hoch n-dotierten Ringzone (7) und einer daran anschließenden hoch p-dotierten Ringzone (8) umgeben ist, und die hoch n-dotierte Ringzone (7) an der Oberfläche durch einen Kontakt (9) mit der hoch p-dotierten Ringzone (8) metallisch leitend verbunden ist.