DE3018542A1

DE3018542A1 - Thyristor mit steuerbarem emitter-kurzschluss und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE3018542A1
Application number: DE19803018542
Authority: DE
Inventors: Helmut Dil.-Phys. Dr. 8000 München Herberg
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-05-14
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1981-11-19
Also published as: US4419683A; CA1162325A; DE3018542C2; JPS575360A

Description

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Thyristor mit steuerbarem Emitterkurzschluß und Verfahren zu seir

Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit steuerbarem Emitterkurzschluß nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Thyristor ist aus der US-PS 3 243 669 bekannt. Der steuerbare Emitterkurzschluß besteht dabei aus einer MIS-Struktur, die ein durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht von dem Halbleiterkörper getrenntes Gate aufweist. Beim Anlegen einer Steuerspannung an das Gate wird ein Kurzschlußpfad wirksam geschaltet, der den PN-Übergang zwischen der mit der Anode verbundenen Emitterschicht und der angrenzenden Basisschicht überbrückt. Das hat eine Umschaltung des Thyristors aus dem stromführenden Zustand in den blockierten Zustand zur Folge, in dem zwischen Anode und Kathode "trotz einer in Durchlaßrichtung anliegenden Spannung praktisch kein Strom fließt. Nachteilig ist hierbei, daß die MIS-Struktur gegenüber sehr hohen Gatespannungen, die beispielsweise durch eine unerwünschte'Aufladung des Gate entstehen können, empfindlich ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor mit steuerbarem Emitterkurzschluß anzugeben, bei dem der steuerbare Emitterkurzschluß gegenüber hohen Steuerspannungen unempfindlich ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Sperrschicht-Feldeffekttransistor auch bei hohen Gatespannungen nicht zerstört wird. Außerdem ist es bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Thyristor nicht erforderlich, eine sehr dünne, elektrisch isolierende Schicht auf einer relativ stark dotierten St 1 Reu / 5.5.1930

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Kalbleiterschicht ".auf zubauen-, wie das bei den bekannten Thyristoren aus der US-PS 3 243 669 der Fall ist.

In den Ansprüchen 2 bis 8 sind bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Die Ansprüche 9 und 10 sind auf vorteilhafte Verfahren zum Betrieb des .erfindungsgemäßen Thyristors gerichtet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine'bevorzugte Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und Figur 4. ein." drittes Ausführungsbeispiel.

Der in Figur 1 dargestellte Thyristor besteht aus einem . Halbleiterkörper, z. B. aus Silizium, mit einer Mehrzahl von Schichten abwechselnder Leitfähigkeitstypen. Dabei werden die außenliegende N-leitende Schicht 1 als N-Emitterschicht und-die außenliegende, P-leiteride Schicht 4 als P-Emitters.chicht bezeichnet. Die P-leitende Schicht 2 stellt dann die sogenannte P-Basisschicht dar, während die N-leitende Schicht 3 die N-Basisschicht bedeutet. Die N-Emitterschicht 1 ist mit einer Kathode 5 versehen, die einen Anschluß K aufweist, während die P-Emitterschicht 4 mit einer Anode 6 kontaktiert ist, deren Anschluß mit A bezeichnet ist. In die N-Emitterschicht 1 ist ein P-leitendes Gebiet 7 eingefügt, das sich bis zur oberen Grenzfläche 1a des Halbleiterkörpers erstreckt. Das Gebiet 7 ist mit einem Gate 8 kontaktiert, das mit einem Anschluß G verbunden ist. Weiterhin ist in Figur 1 eine leitende· Belegung 9 vorgesehen, die den PN-Übergang zwischen den Schichten 1 und 2 randseitig überbrückt. Die in Figur 1

rechts und links von dem Gebiet 7 liegenden Teile der N- ; Emitterschicht 1 stellen die Source- und Drain-Gebiete

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. eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors dar, dessen Gate-Gebiet durch das Gebiet 7 gebildet wird. Die Kanalzone des Feldeffekttransistors besteht aus dem Teil der N-Emitterschicht 1, der unterhalb von 7 liegt.

Im blockierten Zustand des Thyristors, in dem zwischen A und K eine Spannung mit der in Figur 1 eingezeichneten-Polarität liegt, gelangen die z. B. thermisch generierten oder unter einer dU/dt-Belastung sich in Richtung auf die Kathode bewegenden Löcher 10 aus der P-Basisschicht 2 . über die leitende Belegung 9 und die Kanalzone Ib zu der Kathode 5,· sofern der Gateanschluß G gegenüber K spannungslos ist-oder mit einer positiven Spannung beschaltet ist. Der in Figur 1 mit 11 angedeutete, über die Belegung 9 und die Kanalzone 1b verlaufende Strompfad stellt dabei einen sogenannten Emitter-Kurzschlußpfad dar, der die P-Basisschicht 2 mit der Kathode 5 kurzschließt. Bei Zuführung einer negativen Spannung hinreichender Größe, z. B. eines Impulses 12, an den Anschluß G wird die. Kanalzone 1b durch die sich am PN-Übergang zwischen dem Gebiet 7 und der Schicht 1 aufbauende Raumladungszone abgeschnürt, so daß der Emitterkurzschlußpfad 11 unterbrochen ist. Der Thyristor gelangt hierdurch in einen Zustand, in dem er sehr leicht zündbar ist. Die thermisch generierten Löcher 10, die hierbei zum PN-Übergang zwischen den Schichten.T. und 2 gelangen, können bereits die Zündung des Thyristors bewirken* Andererseits kann die Zündung auch durch einen mit dem Impuls 12 zeitlich zusammenfallenden, positiven Impuls 13 unterstützt werden, der einer auf der P-Basis- .' schicht 2 aufgebrachten Zündelektrode 14 über einen Anschluß Z zugeführt wird. Über die Zündelektrode 14 in die P-Basisschicht 2 zusätzlich eingebrachte Löcher gelangen ebenfalls . zum PN-Übergang zwischen den Schichten 1. und 2 und unterstützen somit den Zündvorgang. Nach Beendigung des Impulses 12 oder der Impulse 12' und 13 bleibt der . . einmal gezündete Thyristor im stromführenden Zustand»

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Nach einer anderen Betriebsweise des in Figur 1 dargestellten Thyristors wird der Gateanschluß 8 im blockierten Zustand und im stromführenden Zustand mit einer ge-- - ; genüber dem Anschluß K negativen Spannung solcher Größe beaufschlagt, daß die Kanalζone 1b vollständig abge- . ' schnürt ist, -so- daß der Emitterkurzschluß 11 unterbrochen ist. Diese Betriebsweise eignet sich insbesondere für solche Thyristoren, deren N-Emitterschichten in an sich bekannter Weise.mit festen Emitterkurzschlüssen versehen sind, die aus etwa zylinderförmigen Ansätzen der P-Basisschicht bestehen, die die N-Emitterschicht 1 an mehreren Stellen durchdringen und sich bis zur Grenzfläche 1a hin erstrecken, .-wie in Figur 1 mit 15 und 16 angedeutet ist. In diesem Fall wird die negative Spannung an dem Anschluß G lediglich im Zeitpunkt des Abschältens des Thyristors, also beim Übergang aus dem stromführenden in den blockierten Zustand, kurzzeitig abgeschaltet oder durch einen positiven Spannungsimpuls 17 kurzzeitig kompensiert oder überkompensiert, so daß der steuerbare Emitterkurzschlußpfad 11 kurzzeitig wirksam geschaltet wird,, um ein schnelles Blockieren des Thyristors zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Thyristors nach Figur 2 ist die Emitterschicht 1 in zwei oder mehrere Emitterzonen 1^? unterteilt, die jeweils mit Kathodenteilen 5' versehen sind, welche ihrerseits an einen gemeinsamen Anschluß K geführt sind. In die einzelnen Emitterzonen 1¹ eingefügte Gebiete 7' sind jeweils mit Gates 8' kontaktiert, die ebenfalls an einen gemeinsamen Anschluß G geführt sind. Jeder der PN-Übergänge zwischen den Emitterzonen 1' und der P-Basisschicht 2 wird durch eine leitende Belegung 9' überbrückt, wobei die Kanalzonen 1b' der Feldeffekttransistoren jeweils in Serie zu diesen Belegungen 9' in den Kurzschlußpfaden zwischen der P-Basisschicht 2 und den Kathodenteilen 5' liegen. Dabei weisen die Teile 1', 5', 7' und 9'zweckmäßigerweise jeweils

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eine langgestreckte Form auf, wobei ihre Abmessungen senkrecht zur Bildebene von Figur 2 wesentlich größer sind als in der Bildebene. Die Zündelektrode 14 mit dem Anschluß Z entspricht den bereits in Figur 1 dargestellten, mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Teilen. Der Aufbau des Thyristors nach Figur 2 kann-bezüglich einer Ebene, die durch die Linie 18- verläuft und zur Bildebene der Figur 2 senkrecht steht, symmetrisch sein. Mach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann der Thyristor nach Figur 2 auch einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen, bei dem die Symmetrieachse aus der Linie ; 18 besteht.' Die Teile 1^!, 5', 7^f und 9' sind dann -Jeweils.; ringförmig ausgebildet. ' _:

Nach einer in Figur 3 dargestellten Weiterbildung der Erfindung kann auch eine Zündelektrode EG in Form eines' so- ' genannten Emittergate vorgesehen sein, das auf der N-EmItterschicht 1 angeordnet ist. Dieses .kann mit dem Anschluß G verbunden werden,.da es einen gegenüber dem Kathodenanschluß K negativen Zündimpuls benötigt. Der gegenüber der Kathode K negative Impuls 12 bewirkt also, hierbei nicht . nur eine Unterbrechung des Emitterkurzschlußpfades 11 (Figur 1) sondern auch gleichzeitig eine Unterstützung . des Zündvorganges über das Emittergate EG. Die Funktion \ eines solchen Emittergate.ist an sich aus dem Buch "Thyristor Physics" von Adolf Blicher, Springer Verlag,1976, Seiten 124 bis 126, bekannt. Ϊ .

Der Aufbau eines Thyristors nach Figur 3 kann zweckmäßigerweise zu einer Achse 19 rotationssymmetrisch sein oder bei langgestreckter Ausbildung der Teile 1, 5 und 7 bis¹ . 9'symmetrisch zu einer durch.die Linie 19 verlaufende, senkrecht zur Bildebene von Figur 3 liegenden Symmetrie-\ ebene. Solche Aufbauformen wurden bereits anhand der Fi- . " gur 2 näher erläutert. Weiterhin kann auch bei einem Thyristor nach Figur 3 die N-Emitterschicht 1■" in mehrere' Emitterzonen 1¹ unterteilt sein, die jeweils mit Kathoden-.

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teilen 5^Γ, eingeschlossenen.-GeMeten 7', Gates 8¹ und leitenden Belegungen 9^! versehen sind, was ebenfalls bereits anhand von Figur 2 veranschaulicht wurde.

Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von Figur 1 oder Figur 3 lediglich dadurch, daß anstelle der Zündelektrode 14 bzw. . des Emittergate EG eine optische Zündung vorgesehen ist, . die durch die Lichtstrahlen 20 angedeutet wird.

Im Rahmen der Erfindung kann auch die P-Emitterschicht 4 anstelle der N-Emitterschicht 1 durch einen oder mehrere steuerbare Emitterkurzschlüsse überbrückt werden. Die Figuren 1 bis 4 können zur Darstellung dieser Schaltungs-Variante herangezogen werden, wenn die Bezeichnungen der Anschlüsse A und K miteinander vertauscht v/erden und die Halbleiterteile 1 bis 4 und 7 jeweils die entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen zu den bisher beschriebenen aufweisen. Die Impulse 12, 13 und 17 besitzen dabei die jeweils entgegengesetzten Vorzeichen. Schließlich sind auch Ausführungsformen der Erfindung zweckmäßig, bei denen sowohl die N-Emitterschicht 1 als auch die P-Emitterschicht 4 mit jeweils einem oder mehreren steuerbaren Emitterkurzschlüssen versehen sind.

:4 Figuren
10 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der eine außenliegende, mit einer Kathode versehene N-Emitterschicht, eine außenliegende, mit einer Anode versehene P-Emitterschicht und zwei an diese jeweils angrenzende Basisschichten enthält, und mit einem steuerbaren Emitterkurzschluß, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Emitterkürzschlusses ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor vorgesehen ist, der ein in eine Emitterschicht (1) eingefügtes, zu dieser entgegengesetzt dotiertes und mit einer Gateelektrode (8) versehenes Halbleitergebiet (7) aufweist, daß der unterhalb des Halbleitergebietes (7) liegende Teil (1b) der Emitterschicht

(1) die Kanalzone des Feldeffekttransistors bildet, und daß seine Source- und Drain-Gebiete von den in lateraler Richtung dem Halbleitergebiet (7) benachbarten Teilen der Emitterschicht (1) gebildet werden, von denen der eine Teil mit der Kathode (Anode) (5) und der.andere Teil über eine leitende Belegung (9) mit der an die Emitterschicht (1) angrenzenden Basisschicht (2) verbunden ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e -

k e η η zeichnet, daß die Basisschicht (2), die an die den Feldeffekttransistor aufnehmende Emitter- . .. schicht (1) angrenzt, mit einer Steuerelektrode (14) versehen ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die den Feldeffekttransistor aufnehmende Emitterschicht (1) mit einem Emittergate (EG) versehen ist, das mit einem Zündimpuls beschal tbar ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Gateelektrode (8) des Feldeffekttransistors und das Smittergate (EG) mit einem

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-2A VPA 80 P 70 S5 DE gemeinsamen Anschluß (G) verbunden sind.

5. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, da du rc h gekennzei chnet, daß eine optische Zündvorrichtung zur Bestrahlung der den Feldeffekttransistor aufnehmenden Emitterschicht (1) und/oder der an diese angrenzenden Basisschicht (2) vorgesehen ist.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch g e k e η η ζ e i c h η et , daß die den Feldeffekttransistor aufnehmende .Emitterschicht (1) in eine Mehrzahl von Emitterzonen (I¹) unterteilt ist, die jeweils mit Teilen (5') der Kathode, mit Halbleitergebieten (7¹) und mit ihre FN-Übergänge zu der angrenzenden Basisschicht (2) überbrückenden leitenden Belegunggen (9^T) versehen sind, und daß die Teile (5^!) der Kathode, die Halbleitergebiete (7') und die leitenden Belegungen (9¹) der Emitterzonen (.1') jeweils mit. gemeinsamen Anschlüssen (K, G) verbunden sind. .

7. Thyristor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß die Emitterzonen (1') eine langgestreckte Form aufweisen und etwa parallel zueinander angeordnet sind. ■

8. Thyristor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e·■-".."

k e η η ζ ei chnet, daß die Emitterzonen (1') ringförmig ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet sind.
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9. Verfahren zum Betrieb des Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gateelektrode (8) des Feldeffekttransistors ein die umschaltung des Thyristors aus dem blockierten Zustand in den stromführenden Zustand veranlassender Spannungsimpuls (12) zugeführt wird.

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10. Verfahren zum Betrieb des Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich η e t , daß der Gateelektrode (8) des Feldeffekttransistors eine die Kanalzone sperrende Vorspannung und ein die Umschaltung aus dem stromführenden Zustand in den blockierten Zustand veranlassender, die Vorspannung kompensierender oder überkompensierender Spannungsimpuls (17) zugeführt wird. ;

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