DE2511281C2 - Fotothyristor - Google Patents

Description

dringende Kurzschlußöffnungen (2) oh misch kontaktiert ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Kurzschlußöffnungen (2') die der Lichteintrittsfläche zugewandte Emitterzone (NE)'m einen äußeren Abschnitt (7) und in einen im wesentliehen von diesem getrennten und umgebenen, die Lichteintrittsfläche beinhaltenden und von der zweiten Elektrode (4) am Randbereich kontaktierten inneren Abschnitt (8) unterteilt bzw. unterteilen, dessen Außenrad: :s

— +

- 9,153

ist, wobei D der Abstand der im wesentlichen gleichförmig verteilten Kurzschlußöffnungen (2) voneinander und d der Durchmesser der Kurzschlußöffnungen (2) ist.

2. Fotothyristor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des inneren Abschnitts (8) kleiner ist als die des äußeren Abschnitts (7).

3. Fotothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Abschnitt (8) von dem äußeren Abschnitt (7) vollständig umgeben ist.

4. Fotothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des die Lichteintrittsfläche bildenden Teils des inneren Abschnitts (8) gegenüber der Dicke des restlichen Teils der anderen Emitterzone (NE)verringert ist.

5. Fotothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die andere Emitterzone (NE) angrenzende Basiszone (PB) in der Mitte des inneren Abschnitts (8) freiliegt.

6. Fotothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Abschnitt (8) durch die an die andere Emitterzone (NE) angrenzende Basiszone (PB) vollständig vom äußeren Abschnitt (7) getrennt ist.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fotothyristor der im Oberbegriff des Patentanspruchs I genannten Art, wie er anhand der Fig. 1 und 2 im folgenden beschrieben ist.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Draufsicht auf einen bekannten Fotothyristor,

F i g. 2 den Schnitt 1-1 der F i g. 1,

F i g. 3 den Teilschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotothyristors,

F i g. 4 die Verteilung des Fotostromes und des Ve.rschiebungsslromes in einem Fotothyristor,

F i g. 5a und 5b im Vergleich den Aufbau des bekannten und des erfindungsgemäßen Fotothyristors,

F i g. 6 eine zweite und

F i g. 7 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotothyristors,

F i g. 8 eine Draufsicht auf den die Lichteintrittsfläche enthaltenden Bereich einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fotothyristors.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte, als aus der US-PS 35 85 454 bekannte vorausgesetzte Fotothyristor weist einen Halbleiterkörper 1 mit vier Schichten abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps auf, nämlich einer p-leitenden Emitterzone PE, einer η-leitenden Basiszone NB, einer p-leitenden Basiszone PB und einer n-Ieitenden Emitterzone NE, die jeweils pn-Obergänge J\, J₂ bzw. J3 bilden. Eine als Anode dienende erste Elektrode 3 kontaktiert an der ersten Hauptfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 die eine Emitterzone PE Eine als Katode dienende zweite Elekt.Ode 4 kontaktiert an der zweiten Hauptftäche 12 die andere Emitterzone NE und über in deren äußerem Bereich gleichmäßig verteilte Kurzschlußöffnungen 2 die- an die andere Emitterschicht NE angrenzende Basisschicht PB. Die Kurzschlußöffnungen 2 sind zwar in der US-PS 35 85 454 weder gezeigt noch ausdrücklich beschrieben; sie müssen jedoch vorhanden sein, da der bekannte Fotothyristor sonst nicht funktionieren könnte. Sie sind im übrigen bei Thyristoren, beispielsweise aus der DE-OS 23 39 440 und der US-PS 37 58 832, an sich bekannt. Fällt aus einer Lichtquelle 5 Licht auf die die Lichteintrittsflächc bildende frei liegende Oberfläche der Basiszone Pf? und i.^gt zwischen den Elektroden 3, 4 eine Spannung, die die Anode gegenüber der Katode positiv vorspannt, so wird in der Basiszone PB ein zu den der Lichteintrittsfläche am nächsten liegenden Kurzschlußöffnungen 2 und zur zweiten Elektrode 4 fließender Fotostrom 6 erzeugt (in F i g. 2 durch Pfeile angedeutet). Der Fotostrom spannt den innersten Rand des dritten pn-Überganges /3 zwischen den Zonen NE und PB in Durchlaßrichtung vor, wobei aus der Emitterzone NE Elektronen in die Basiszone PB injiziert werden. Damit gelangt der Fotothyristor aus dem sperrenden in den leitenden Zustand und wird durchgeschaltet.

Lt bei dem bekannten Fotothyristor der Radius Rt der Lichteintrittsfläche verhältnismäßig klein, so ist zwar die Zündempfindlichkeit verhältnismäßig hoch, da der innerste Rand des pn-Überganges Jj bei hoher Stromdichte durch einen verhältnismäßig geringen Fotostrom stark in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der innerste Rand des pn-Übergar.ges./3 wird aber auch leicht durch Verschiebungs- und Leckströme des pn-Überganges Jz in Durchlaßrichtung vorgespannt, d. h., die kritische Anstiegsgeschwindigkeit dv/df der angelegten Spannung, im folgenden als dv/di-Vermögen bezeichnet, und die Durchbruchspannung bei hohen Temperaturen sind verhältnismäßig klein. Bei Vergrößerung des Radius R\ der Lichteinlriitsfläche ist die Dichte des den innersten Rand des dritten pn-Überganges /j in Durchlaßrichtung vorspannenden Fotostromes und damit seine Zündempfindlichkeit entsprechend gering. Es ist also ein hoher Fotostrom erforderlich, um den Foto-

thyristor einzuschalten. Ebenso wird die Zündempfindlichkeit des Fotothyristors verschlechtert, wenn zur Verbesserung des dv/dr-Vermögens die Dichte der Kurzschlußöffnungen 2 erhöht wird.

Der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei dem gattungsgemäßen Fotothyristor einerseits eine m&^ächst hohe Zündempfindlichkeit und andererseits ein möglichst hohes dv/df-Vermögen und eine möglichst hohe Durchbruchspannung bei hohen Temperaturen zu erreichen.

Ein erfindungsgemäßer Fotothyristor (1200 V, 100 A) mit einem dv/dr-Vermögen von 400 V/ps kann mit einer GaAS-LED gezündet werden, deren Lichtausgangslcistung ein Fünftel dessen beträgt, was für herkömmliche Fotothyristoren erforderlich ist.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fotothyristors sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6. Dabei wird durch die Ausgestaltungen der Patentansprüche 4 und 5 die Lichtdurchlässigkeit des inneren Abschnittes erhüht und dadurch die Zündempfindlichkeit weiter verbessert.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fotothyristors weist die η-leitende Emitterschicht NEeinen äußeren Abschnitt 7 mit mehreren im wesentlichen gleichförmig verteilten durchgehenden Kurzschlußöffnungen 2, über die die ρ leitende Basiszone PB mit der Hauptfläche 12 in Verbindung steht, sowie einen von dem äußeren Abschnitt 7 umgebenen inneren Abschnitt 8 auf, der von dem äußeren Abschnitt 7 durch die Basiszone PB innerhalb der Kurzschlußöffnung 2' getrennt ist, keine durchgehenden Öffnungen aufweist und eine kleinere Fläche hat als der äußere Abschnitt 7, wobei das Licht auf den inneren Abschnitt 8 fällt. Die zweite Elektrode 4 steht in ohmschem Kontakt mit dem äußeren Abschnitt 7, den Kurzschlußöffnungen 2, dem Rand des inneren Abschnitts 8 und der Oberfläche der zwischen dem äußeren und dem inneren Abschnitt 7 bzw. 8 frei liegenden Basiszone PB.

Um einen Fotothyristor mit diesem Aufbau einzuschallen, wird auf die Lichteintrittsfläche des inneren Abschnitts 8 ein Lichtsignal gerichtet. Bei Bestrahlung mit diesem Lichtsignal entsteht unmittelbar an oder in der Nähe des dem inneren Abschn'tt 8 entsprechenden Abschnittes des zweiten pn-Übergangs J₂ ein Fotostrom, der, wie durch den Pfeil 9 angedeutet, in der Basiszone PB seitlich, d. h. parallel zu dem zweiten pnübergang J₂, fließt, bis er die zweite Elektrode 4 durch den zwischen dem äußeren und dem inneren Abschnitt 7 bzw. 8 gelegenen Teil de· Basiszone PB erreicht. Dieser Fotostrom bewirkt innerhalb der Basiszone PB einen Spannungsabfall, der wiederum denjenigen Teil des dritten pn-Übergangs /j in Durchlaßrichtung vorspannt, der im wesentlichen der Mitte des inneren Abschnitts 8 entspricht. Damit ist der Einschaltvorgang in diesem speziellen Teil eingeleitet. Der Radius R 2 des inneren Abschnitts 8 wird aufgrund der folgenden Überlegungen bemessen:

Generell werden das dv/df-Vcrmögen und die Durchbruchsspannung des Thyristors durch die Anordnung e>o der Kurzschlußöffnungen 2 in dem dritten pn-übergang /1 bestimmt, wobei das maximale dv/dt-Vermögen durch die Gleichung

dv/df,™

■ i>s ■ K

Übergangs J₂. an dem der Verschiebungsstrom auftritt, Ps den Schichtwiderstand der der Emitterzone NE benachbarten Basiszone PB, V_D die Diffusionsspannung des dritten pn-Überganges /j und K einen durch die Kurzschlußstruktur des Thyristors bestimmten Kurzschlußkoeffizient, der angibt, in welchem Maße der pn-Übergang /j kurzgeschlossen ist. Bei gewöhnlicher Kurzschlußstruktur, bei der die Kurzschiußöffnungen jeweils einen Durchmesser d haben und an den Schnittpunkten eines rechtwinkligen Gitters in Abständen von D angeordnet sind, ist der Kurzschlußkoeffizient Ko durch die Gleichung

— +

- 0,153

gegeben. Andererseits ist der Kurzschlußkoeffizient K\ des dem inneren Abschnitt 8 entsprechenden Teils des PN-Übergangs/j durch

"2

_ Γ JL

J 2

r-O

dr

gegeben, wobei r der Abstand von der Mitte des pn-Übergangs J₂ in Richtung seiner Ausdehnung ist.

In den obigen Gleichungen ist angenommen, daß der Verschiebungsstrom im zweiten pn-übergang J₂ gleichförmig erzeugt wird. Soll das dv/dr-Vermögen des in F i g. 3 gezeigten Fotothyristors verbessert werden, so muß dafür gesorgt werden, daß das dv/di-Vermögen der Lichteintrittsfläche, d.h. im wesentlichen des inneren Abschnitts 8 dem des äußeren Abschnitts 7 entspricht. Mit anderen Worten muß K₁ = Ko sein. Der Wert, der diese Beziehung erfüllt, läßt sich ausdrücken als

D \ !n —

-0,153.

gegeben ist. in dieser Gleichung bedeuten A und Cdie Fläche bzw. die Sperr fhichlkapaziläi des zweiten pn-Betragen beispielsweise d=0,2 mm und D= 1,5 mm, so ist R₂ ungefähr 2 mm; wird also der Radius R₂ des inneren Abschnitts 8 mit 2 mm gewählt, so ist es möglich, für den inneren Abschnitt 8 den gleichen Kurzschlußzustand wie für den äußeren Abschnitt 7 mit den Kurzschlußöffnungen 2 zu erreichen, wobei Verschiebungsstrom und Leckstrom gleichförmig von dem zweiten pn-übergang J₂ erzeugt werden und somit das dv/di-Vermögen und die Durchbruchspannung bei hohen Temperaturen auf gleichem Wert gehalten werden.

Es ist zu beachten, daß der Fotostrom nicht gleichförmig an dem zweiten PN-Übergang J₂ erzeugt wird, son-■ien. von der Intensitätsverteilung des ausgestrahlten Lichts abhängt. Ein Beispiel für die Verteilung des Fotostroms ist in F i g. 4 dargestellt. Anders als bei der zum Vergleich gezeigten Verteilung des Verschiebungsstroms hat der Fotostrom ein Maximum an der Stelle der stärksten Beleuchtung und nimmt mit zunehmender Entfernung vom Maximum ab. Im Falle eines Foto-Stroms mit einer derarligen Verteilung läßt sich der der Mitte des inneren Abschnitts 8 entsprechende Teil des dritten pn-Übergangs /3 wirksamer in Durchlaßrichtung vorspannen, indem die Mitte des zweiten Abschnitts 8 an diejenige Stelle gelegt wird, an der der Fotostrom sein Maximum hat.

In der schematischen Darstellung nach Fig. 5 sind Draufsichten auf den Bereich der Lichteintrittsfläche eines herkömmlichen Folothyristors (Fig.5a) beziehungsweise des erfindingsgemäße.i Fotothyristors

(Fig. 5b) gezeigt. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, ist anders als bei dem bekannten Fotothyristor, bei dem die Kurzschlußöffnungen 2 in Abständen von etwa 13 mm über die gesamte Oberfläche verteilt sind, der erfindungsgemäße Fotothyristor mit einem inneren Ab- 5 schnitt 8 versehen, der einen Durchmesser von 4 mm hat und keine Kurzschlußstellen aufweist; infolgedessen ist die Lichteintrittsfläche um etwa das Zehnfache vergrößern, und der Abstand von der dem Maximum des Fotostroms zugeordneten Stelle zu der Kurzschlußstelle des io nächsten pn-Übergangs ist im wesentlichen verdoppelt. Daher wird der Kurzschluß vergrößert und sein Strompfad verlängert, so daß der dem inneren Abschnitt 8 entsprechende Teil des dritten pn-Übergangs /3 wirksam in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. 15

Das in F i g. 6 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insofern, als die Basiszone PB etwa in der Mitte des inneren Abschnitts 8 der Emitterzone NE bis an die Oberfläche reicht. Da die Emitterzone NE eine hohe 20 Störstellenkonzentration und daher eine geringe Lichtdurchlässigkeit aufweist, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 die Zündempfindlichkeit dadurch verbessert, daß die Basiszone BP etwa in der Mitte des inneren Abschnitts 8, wo das auftreffende Licht am 25 stärksten ist, freiliegt.

Das in F i g. 7 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Lichteintrittsfläche des inneren Abschnitts 8 der Emitterzone NE dünner ist als bei dem jo ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 wird der Nachteil der geringen Lichtdurchiässigkeit der Fmitterzone NE beseitigt, ohne den seitlichen Abstand des inneren Abschnitts 8. längs dem der Fotostrom fließt, zu verringern. Da die Emitterzone 35 NE, die gewöhnlich durch Eindiffundiercn von Phosphor erzeugt wird, ihre höchste Störstellcnkonzcntration an oder in der Nähe ihrer Oberfläche aufweist, wird der Teil hoher Störstellenkonzentration und hoher Lichtabsorption beseitigt 40

Der innere Abschnitt 8 der Emitterzone NE braucht nicht notwendigerweise exakt kreisförmig zu sein. Die Vorteile lassen sich ferner auch dann erreichen, wenn der innere Abschnitt 8 nicht vollständig durch die Basiszone PB von dem äußeren Abschnitt 7 der Emitterzone NE getrennt ist sondern teilweise mit ihm in Verbindung steht Eine derartige Variante ist in F i g. 8 veranschaulicht Der Vorteil dieser Variante besteht darin, daß sich der Einschaltbereich durch die teilweise Verbindung des äußeren Abschnitts 7 mit dem inneren Ab- schnitt 8 rascher ausbreitet Außerdem ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der innere Abschnitt 8 vollständig vor. dem äußeren Abschnitt 7 umgeben wird. Es genügt vielmehr, wenn ein gewisser Teil des inneren Abschnitts 8 dem äußeren Abschnitt 7 benachbart ist Auch in diesem Fall hat die zweite Elektrode 4 ohmschen Kontakt mit dem äußeren Abschnitt 7, den Kurzschlußöffnungen 2, dem Rand des inneren Abschnitts 8 und der den inneren Abschnitt 8 umgebenden Basiszone PB.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Fotothyristor, bestehend aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper (1) mit vier Schichten ab- wechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, von denen die beiden Außenschichten die Emitterzonen (PE, NE) und die beiden Innenschichten die Basiszonen (NB, PB) bilden, auf dessen einer Hauptfläche

(11) eine mit der einer Emitterzone (PE) in ohm- ι ο schem Kontakt stehende, als Anode dienende erste Elektrode (3) und auf dessen anderer Hauptfläche

(12) eine mit der anderen Emitterzone (NE) in ohmschem Kontakt stehende, eine Lichteintrittsfläche und einen Teilbereich des anderen Emitters (NE) freilassende, als Katode dienende zweite Elektrode (4) vorgesehen ist, die zusätzlich mit der der Lichteintrittsfläche zugewandten Basiszone (PB) Ober im wesentlichen gleichförmig verteilte, die der Lichtein-

i ϊ /λ/Cl ll