-
Thyristor
-
Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei welchem die erste und vierte Zone mit
den Hauptelektroden kontaktiert sind und als Emitterzonen wirken, die zweite Zone
an die erste Zone anschliesst, und die dritte, am niedrigsten dotierte Zone zwischen
der zweiten und der vierten Zone angeordnet ist, und bei welchem sowohl die zweite
als auch die dritte Zone mitsamt dem zwischen ihnen gebildeten sperrenden PN-Uebergang
auf der Seite der ersten Zone an die Oberfläche des Halbleiterkörpers des Thyristors
treten, und der an die Oberfläche tretende Teil des vorwärts sperrenden PN-Uebergangs
zwecks Zündung des Thyristors mit Licht beaufschlagbar ist, und bei welchem in der
genannten Oberfläche eine besondere hochdotierte Zone des Leitfähigkeitstyps der
ersten Zone vorgesehen ist, welche durch einen elektrischen Kontakt auf der Oberfläche
mit der zweiten Zone verbunden ist.
-
Ein solcher Thyristor ist bekanntXz.B. aus der DT-OS 24 o8 079. Obwohl
derartige Thyristoren inzwischen mit Erfolg in der Praxis eingesetzt werden, ist
eine weitere Optimierung möglich.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Thyristor der eingangs
genannten Art weiter zu optimieren, insbesoncere dahingehend, dass er mit noch kleinerer
Lichtleistung gezündet werden kann, ohne dass aber dadurch andere wesentliche Eigenschaften,
z.B. die Zündfestigkeit gegenüber einem schnellen Spannungsanstieg dU/dt ("kritische
Spannungssteilheit"), verschlechert werden.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Thyristor der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäss der an die Oberfläche tretende Teil der dritten
Zone Teile der zweiten Zone und der besonders hochdotierten Zone umschliesst, und
dass der elektrische Kontakt die besondere hochdotierte Zone mit dem Teil der zweiten
Zone verbindet, der sich ausserhalb des von der dritten Zone an der Oberfläche umschlossenen
Bereichs der zweiten Zone befindet.
-
Dadurch wird der durch die Lichteinstrahlung erzeugte Strom auf eine
oder wenige Bereiche konzentriert, und man erhält auch bei niedriger Lichtleistung
lokal hohe Stromdichten, die die Zündung des Thyristors bewirken können.
-
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Thyristor nach der Erfindung, bei dem die hochdotierte
Zone des Leitfähigkeitstyps der ersten Zone in einer Oeffnung des an die Oberfläche
tretenden Teils der dritten Zone liegt, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Thyristor
gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Thyristor, bei dem der an die Oberfläche
tretende Teil der dritten Zone als spiralförmige Kurve ausgebildet ist, Fig. 4 einen
Schnitt durch einen Thyristor nach der Erfindung, bei dem der an die Oberfläche
tretende Teil der dritten Zone geschlossen ist, und Fig. 5 eine Draufsicht auf den
Thyristor gemäss Fig. 4.
-
Der in den Fig. 1 u. 2 dargestellte Thyristor weist eine erste Zone
1 auf, die hoch N-dotiert ist und damit als N-Emitterzone wirkt. Sie ist mit der
Kathode C kontaktiert. Die zweite Zone 2 ist P-dotiert und wäre bei einem konventionell
über eine Steuerelektrode zu zündenden Thyristor mit dieser kontaktiert. Sie steht
über Emitterkurzschlüsse 13
mit der Kathode C in Kontakt. Die dritte,
N-dotierte Zone 3 weist die niedrigste Dotierung aller Zonen auf und dient insbesondere
der Aufnahme der Sperrschicht, die sich in Vorwärtarichtung am vorwärts sperrenden
Uebergang 5, und in Rückwärtsrichtung am rückwärts sperrenden Uebergang 6 ausbildet.
Die vierte, P-dotierte Zone 4 weist stirnseitig einen hochdotierten Bereich 4' auf,
der mit der Anode A kontaktiert ist und als P-Emitterzone wirkt.
-
In der Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers des Thyristors ist die hoch
N-Dotierte Zone 9 vorgesehen, die mit dem hoch P-doticrten Bereich lr einen P+N+
-Uebergang bildet, der durch den elektrischen Kontakt 10 überbrückt ist. Die Zone
9 wirkt damit in bekannter Weise (vgl. z.B. Publication 671.15>3/69 der General
Electric Company) als N-Emitter eines Hilfsthyristors, der nach seiner Zündung den
Steuerstrom zur Zündung des Hauptthyristors liefert.
-
Insoweit entspricht die Struktur des dargestellten Thyristors dem
Stand der Technik.
-
Abweichend vom Stand der Technik und gemäss der Erfindung bildet nun
aber der an die Oberfläche 7 des halbleiterkörpers des Thyristors tretende Teil
der dritten Zone 3 einesteils eine Kurve 3' mit einer Oeffnung 8, und anderenteils
innerhalb der Kurve 3' gelegene, parallel zuein-
ander verlaufende
Streifen 3". Die N - dotierte Zone 9 ist in der Oeffnung 8 angeordnet, und bildet
mit einem Teil des als geschlossener, die Kurve 3' umschliessender, hoch P-dotierter
Ring ausgebildeten Bereichs 11 der Zone 2 den durch den elektrischen Kontakt 10
überbrückten P +N+ -Uebergang.
-
Durch die geschilderte spezielle Struktur der N-Zors 3 an der Oberfläche
7 wird erreicht, dass der bei Lichteinstrahlung L am oberflächigen, durch die Streifenstruktur
optimal langen Teil des PN-Ueberganges 5 erzeugte Löcherstrom in hoher Konzentration
durch die Oeffnung 8 zur Kathode C abfliesst, und über die in der Oeffnung 8 angeordnetej
als Emitterzone des Hilfsthyristors wirkende Zone 9 den Hilfsthyristor zündet, der
dann seinerseits den Hauptthyristor zündet. Der P + -Ring 11 bewirkt, dass der durch
die Zündung des Hilfsthyristors erzeugte Steuerstrom sofort auf den ganzen Umfang
der Hauptemitterzone 1 verteilt und dadurch eine schnelle Zündung des Thyristors
über den gesamten Querschnitt erreicht wird.
-
Es ist nun von grosser Bedeutung, dass die leichtere Zündbarkeit der
Thyristorstruktur nach der Erfindung nicht mit einem verminderten Wert etwa der
kritischen Spannungssteilheit dU/dt erkauft wird, was an sich zu befürchten war.
-
Das rührt daher, dass die Kapazität pro Flächeneinheit bei einer Thyristorstruktur
nach der Erfindung unerwarteter-
weise im lichtempfindlichen Bereich
deutlich kleiner ist als am ungestörten PN-Uebergang, und überdies die dU/dt-Empfindlichkeit
bei hohen Vorwärts-Sperrspannungen abnimmt.
-
Nur deswegen führt die durch die erfindungsgemässe Struktur erzeugte
lokale Stromdichte nicht zu einer dU/dt-Zündung.
-
Besonders vorteilhaft wird die bisher beschriebene erfindungsgemässe
Thyristorstruktur dadurch weitergebildet, dass an der Oberfläche 7 des Ilalbleiterkörpers
des Thyristors zwischen den Streifen 3" korrespondierende P -Streifen 12 vorgesehen
sind, welche alle mit einem gleich dotierten, quer zu ihnen verlaufenden und zwischen
ihnen und der Zone 9 liegenden Streifen 12' verbunden sind.
-
Die zu den N-Streifen 3" korrespondierenden P -Streifen 12 bewirken
eine Erniedrigung des ohmschen Widerstandes für den an dem oberflächigen PN-Uebergang
5 erzeugten Löcherstrom und leiten diesen zum quer verlaufenden P + -Streifen 12',
der dann - gewissermassen als Sammelschiene - in voller Ausdehnung auf den gegenüberliegenden
Teil der Zone 9 des zu zündenden Hilfsthyristors einwirkt.
-
Die Kurve 3' kann grundsätzlich auch mehr als nur eine Oeffnung mit
jeweils darin angeordneter Zone 9 aufweisen, jedoch ist eine Oeffnung wegen der
dadurch möglichen be-
sonders hohen Löcherkonzentration besonders
zweckmässig.
-
Eine kreisförmige Ausbildung der Kurve 3' und des Ringes 11, und eine
zentrale Anordnung dieser Konfiguration in einer kreisförmigen Aussparung der Kathode
C ist vorteilhaft, weil damit der Thyristor einfacher dimensionierbar wird. Die
Verbreiterung der Zone 9 ins Innere der Kurve 3' hinein, und die entsprechend breite
Ausbildung lnd gegenüberliegende Anordnung des quer verlaufenden N-Streifens 12'
ergeben eine besondere intensive Wechselwirkung dieser zwei Teile miteinander.
-
Die Herstellung eines Thyristors nach der Erfindung ist unproblematisch.
Beispielsweise können in einem N-dotierten Silizium - Substrat des spezifischen
Widerstandes 200 Ohmcm und der Dicke 800 )um in einem ersten Diffusionsprozess die
beispielsweise 90 ,um tiefen Zonen 2 und 14 erzeugt werden, wobei die Bereiche der
Streifen 3" und der Kurve 3', der Zone 9 und der Zone 1 durch eine Diffusionsmaske
gegen Eindiffusion geschützt sind. Danach werden unter fortdauernder Abdeckung der
genannten Bereiche und zusätzlich des Oberflächenbereichs der Zone 2 die Bereiche
11 und 4' erzeugt. Schliesslich werden mit der entsprechenden Maske noch die N +
-Zonen 1 und 9 diffundiert. Die P +-Bereiche 4' und 11 und die.N+-Zonen 1 und 9
haben beispielsweise eine Eindringtiefe von 15 km. Die Breite der Streifen 3" beträgt
beispielsweise 50 saum, der Durchmesser der kreis-
förmigen Kurve
3' beispielsweise 3 mm, der des Ringes 11 beispielsweise 4 mm, die Breite der Oeffnung
8 beispielsweise 1 mm, der Durchmesser der kreisförmigen Aussparung in der Emitterzone
1 beispielsweise 5,5 mm. Der Durchmesser des gesamten Thyristors beträgt beispielsweise
14 mm. Die Emitterkurzschlüsse 13 weisen voneinander beispielsweise einen mitteleren
Abstand von 1 - 2 mm auf und sind in bekannter Weise über die ganze Kathode C verteilt.
-
Ein derart dimensioniertes Element sperrt Spannungen von beispielsweise
4,5 kV, und kann beispielsweise bei 1 kV Vorwärtssperrspannung mittels einer GaAs-Leuchtdiode
(950 nm) durch eine Lichtleistung von 5 mW gezündet werden. Die kritische Spannungssteilheit
dU/dt bei Zimmertemperatur ist besser als 3000 V/rsec (gemessen nach DIN 41 787).
-
Die besonderen Vorteile eines Thyristors nach der Erfindung liegen
nicht nur in der geringeren für die Zündung benötigten Lichtleistung, sondern auch
darin, dass die Quantenausbeute über einen Spektralbereich von etwa 540 nm bis 1000
nm nahezu 1 ist, so dass eine Vielzahl von Lichtquellen verwendbar ist. Die zur
Zündung benötigte Lichtleistung ist weitgehend unabhängig von der jeweiligen Sperrspannung,
bei welcher gezündet wird. Eine gute dU/dt-Festigkeit ist gewährleistet, und überdies
ist der Thyristor auch in grossem Masse geschützt gegen Schäden durch
Ueberspannungen,
also "überkopfzündSest": Denn die Krümmung des vorwärts sperrenden PN-Ueberganges
5 im lichtempfindlichen Bereich bewirkt dort eine Reduktion der Lawinendurchbruchspannung,
so dass bei Ueberspannungen der Thyristor von diesem Bereich aus über sein ganzes
Volumen gezündet wird und deshalb keinen Schaden nehmen kann.
-
Die lichtempfindliche Fläche eines weiteren Thyristors nach der Erfindung
ist in der Fig.3 dimensionsgetreu (am rechten unteren Figurenrand ist der Masstab
von 1 mm angedeutet) dargestellt. Bei diesem Thyristor haben die Bezugszeichen dieselbe
Bedeutung wne beim Thyristor nach den Fig. 1 und 2; er unterscheid.et sich von diesem
aber dadurch, dass die Kurve 3' spiralförmig ausgebildet ist und als Oeffnung nun
einen langen und engen Kanal aufweist, und dass die besonders hochdotierte Zone
9 nun vollständig in dem von der spiralförmigen Kurve 3' umschlossenen Bereich enthalten
ist. Bei einem Thyristor mit einer derartigen Struktur muss der elektrische Kontakt
10 über den N -Bereich 3' geführt werden, aber dagegen isoliert sein. Diese Isolation
wird vorzugsweise durch eine ca. 1 pm dicke nicht dargestellte Oxidschicht bewirkt.
-
Diese Schicht wird innerhalb des geschlossenen Ringes 11 aufoxidiert.
Ueber den Bereich der N -Zone 9, der kontaktiert werden soll, wird sodann in die
Oxidschicht ein Fenster geätzt. Die Oxidschicht dient nicht nur als Isolation, sondern
gleichzeitig als Passivierungsschicht für
die lichtempfindliche
Struktur und vermindert zudem die durch Reflexion an der Siliziumoberfläche bewirkten
Lichtverluste.
-
Dieser Thyristor hat nun folgende Wirkungsweise. Wird Licht in das
von der spiralförmigen Kurve 3' eingeschlossene Gebiet eingestrahlt, so muns der
Ldcherstrom über den relativ hohen Widerstand (bei geeigneter Dimensionierung gemäss
Fig. 3 mit einer Kanallänge von ca. 4 mm und einer Kanalbreite von ca. 0,2 mm der
Oeffnung 8 etwa 2 k L) der engen und langen Oeffnung 8 zur Kathode C abfliessen.
Hierdurch wird der ganze innerhalb der Kurve 3' liegende Bereich der P-dotierten
Zone 2 auf ein vergleichsweise zu seiner IJmgebung höheres Potential gebracht. Dies
gilt insbesondere gegenüber dem N -Bereich 9, der durch die Metallisierung 10 an
das Potential des P -Ringes 11 gelegt ist. Bei einer Potentialdifferenz von ca.
0,6 V injiziert der N -Bereich 9 Elektronen und der Thyristor zündet.
-
Ein derartiger Thyristor lässt sich mit besonderem Vorteil mit minimalen
Lichtleistungen zünden, da der ohmsche Widerstand zwischen den Bereichen 12 bzw.
12' und 11 durch Wahl einer besonders langen und engen Oeffnung 8 der Kurve 3' erheblich
erhöht wird. Dies lässt sich zwar grundsätzlich auch durch besonders kleine Abmessungen
der Oeffnung 8 des Thyristors nach den Fig. 1 und 2 erreichen, jedoch
wird
dadurch die Diffusion und Metallisierung 10 des N -Gebietes 9 in einer solchen engen
Oeffnung äusserst schwierig. Neben einer spiralförmigen Ausbildung der Kurve 3'
ist daher gegebenenfalls auch jede andere Ausbildung der Kurve 3' mit Vorteil verwendbar,
bei der eine lange und schmale Oeffnung 8 vorhanden ist.
-
Eine dritte Ausführungsform des Thyristors nach der Erfindung ist
in den Fig. 4 und 5 dimensionsgetreu dargestellt.
-
Auch bei diesem Tyristor haben die Bezugszeichen dieselbe Bedeutur
wie bei den Thyristoren nach den Fig. 1 und 2 bzw. ); er unterscheidet sich von
diesen aber dadurch, dass der an die Oberfläche tretende Teil der dritten Zone eine
die erste Zone nicht umfassende geschlossene Kurve 3' bildet, und dass diese Kurve
die N+ -dotierte Zone 9 sowie eine P + -dotierte Zone 14 umschliesst. Die P + -dotierte
Zone 114 ist über die Metallisierung 15 mit der Kathodenmetallisierung verbunden.
Bei einem derartig strukturierten Thyristor müssen die beiden Metallisierungen 10
und 15 über den N -Bereich 3' geführt werden, aber dagegen isoliert sein. Diese
Isolation wird wie beim Thyristor gemäss Fig. 3 vorzugsweise durch eine ca. 1 Sum
dicke Oxidationsschicht 16 bewirkt, die innerhalb des Bereichs 11 aufoxidiert wird.
-
Ueber den Bereichen der N + und der P +-Zonen 9 und 14, die kontaktiert
werden sollen, werden sodann in die Oxidschicht Fenster geätzt.
-
Dieser Thyristor hat nun folgende Wirkungsweise, welche schematisch
der Fig. 4 zu entnehmen ist. Bei Lichteinstrahlung wird ein Strom il eingespeist,
der über den der Oeffnung 8 bei den Thyristoren gemäss der Fig. 1 und 2 bzw. 3 entsprechenden
Widerstand R1 zur Kathode abfliesst. Durch diesen Strom wird das Potential des ganzen,
innerhalb der Zone 3' liegenden Bereichs der P-dotierten Zone 2 auf ein vergleichsweise
zu seiner Umgebung höheres Potential angehoben. Dies gilt entsprechend den vorhergehenden
Ausführungen insbesondere auch gegenüber dem N -Bereich 9, der durch die Metallisierung
10 an das Potential des P -Bereichs 11 gelegt ist. Der N+-Bereich 9 injiziert nun
bei einer Potentialdifferenz von etwa 0,6 V Elektronen.
-
Nun besteht ein ganz besonderer Vorteil dieses Thyristors darin, dass
bei der Wahl einer sehr hohen Zündempfindlichkeit eine vorzeitige Zündung durch
einen ganzflächigen Strom, etwa durch den bei einem Spannungsanstieg dU/dt bewirkten
Verschiebungsstrom oder durch seinen Sperrstrom, vermieden wird. Ein solcher ganzflächiger
Strom i2 fliesst über die in Fig. 4 schematisch dargestellten Bahnwiderstände R2
und R3 zur Kathode ab. Hierdurch wird das Potential des P+-Bereichs 11 und des damit
verbundenen N+-Bereichs 9 aber ebenfalls angehoben, so dass bei geeigneter Dimensionierung
zwischen dem Bereich 9 und dem umgebenden P-Bereich der zweiten Zone keine durch
den flächenhaften
Strom i2 bewirkte Potentialdifferenz auftritt
und eine Injektion und damit vorzeitige und unerwünschte Zündung des Thyristors
vermieden wird.
-
Eine geeignete Dimensionierung erfolgt in der Weise, dass zwecks Kompensation
des ganzflächigen Stromes einerseits die Fläche F1 des von der KL 3' umschlossenen
Teils der zweiten Zone möglichst klein gemacht wird und dass andererseits der Widerstandswert
R1 dieser Zone durch Ausbildung der nach innen weisenden Seite der Kurve 3' mit
Kammstrukturen vergrössert wird. Darüber hinaus ist es notwendig, das Verhältnis
F2/F1 der vom inneren Rand der Kathode C und der Kurve 3' begrenzten Fläche F2 der
zweiten Zone zur Fläche F1 des von der Kurve 3' umschlossenen Teils der zweiten
Zone so zu wählen, dass es gleich dem reziproken Verhältnis R1 /(R2 + R3) der Widerstände
R2 + R3> R1 der durch die Flächen F2, F1 bestimmten Bereiche der zweiten Zone
ist (F2/F1=R1/(R2+R3)). Hierbei fliesst jeder Strom aus der Fläche F1 über das P+-Gebiet
14 und die Metallisierung 15 zur Kathode C ab. Das höchste Potential tritt dabei
im P-Gebiet unter dem N -Bereich 9 auf. Fliesst gleichzeitig ein Strom aus der Fläche
F2 zur Kathode ab, so wird das Potential des P -Gebietes 11 und damit auch der Metallisierung
10 und des N -Bereiches 9 angehoben und eine Injektion von Elektronen verhindert.
-
Zur Vermeidung von solch unerwünschten Zündungen wurde bereits von
Silber und Füllmann (International Electron Devices Meeting, 1975, Washington) eine
Kompensationsanordnung vorgeschlagen, bei der das Potential des N + -Bereichs des
Bilfsthyristors ebenso wie das Potenial des umgebenden P-Bereichs angehoben wird.
Bei dieser Anordnung sind jedoch die Flächen F1 und F2 nicht benachbart, sondern
es wird vielmehr eine Verbindung zum äusseren Rand des Thyristors benötigt.