DE3018542C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit steu­ erbarem Emitterkurzschluß nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Ein solcher Thyristor ist aus der US-PS 32 43 669 bekannt. Der steuerbare Emitterkurzschluß be­ steht dabei aus einer MIS-Struktur, die ein durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht von dem Halbleiter­ körper getrenntes Gate aufweist. Beim Anlegen einer Steu­ erspannung an das Gate wird ein Kurzschlußpfad wirksam geschaltet, der den PN-Übergang zwischen der mit der Ano­ de verbundenen Emitterschicht und der angrenzenden Basis­ schicht überbrückt. Das hat eine Umschaltung des Thyri­ stors 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.

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

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbe­ sondere darin, daß der Sperrschicht-Feldeffekttransistor auch bei hohen Gatespannungen nicht zerstört wird. Außer­ dem ist es bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Thy­ ristor nicht erforderlich, eine sehr dünne, elektrisch isolierende Schicht auf einer relativ stark dotierten Halbleiterschicht aufzubauen, wie das bei den bekannten Thyristoren aus der US-PS 32 43 669 der Fall ist.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausgestaltung des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Der in Fig. 1 dargestellte Thyristor besteht aus einem Halbleiterkörper, im Ausführungsbeispiel aus Silizium, mit einer Mehrzahl von Schichten abwechselnder Leitfähigkeitstypen. Dabei werden eine außenliegende N-leitende Schicht 1 als N-Emit­ terschicht und eine außenliegende, P-leitende Schicht 4 als P-Emitterschicht bezeichnet. Eine P-leitende Schicht 2 stellt dann die sogenannte P-Basisschicht dar, während eine 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-lei­ tendes Gebiet 7 eingefügt, das sich bis zur einen Ober­ fläche 1 a des Halbleiterkörpers erstreckt. Das Gebiet 7 ist mit einer Gateelektrode 8 kontaktiert, die mit einem Anschluß G verbunden ist. Weiterhin ist in Fig. 1 eine leitende Belegung 9 vorgesehen, die den PN-Übergang zwischen den Schichten 1 und 2 randseitig überbrückt. Die in Fig. 1 rechts und links von dem Gebiet 7 liegenden Teile der N- Emitterschicht 1 stellen die Source- und Drain-Gebiete eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors dar, dessen Gate-Gebiet durch das Gebiet 7 gebildet wird. Die Kanal­ zone des Feldeffekttransistors besteht aus dem Teil 1 b 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 Fig. 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 Schicht 9 und die Kanalzone 1 b zu der Kathode 5, sofern der Gateanschluß G gegenüber K span­ nungslos ist oder mit einer positiven Spannung beschaltet ist. Der in Fig. 1 mit 11 angedeutete, über die Belegung 9 und die Kanalzone 1 b verlaufende Strompfad stellt dabei einen sogenannten Emitter-Kurzschlußpfad dar, der die P- Basisschicht 2 mit der Kathode 5 kurzschließt. Bei Zufüh­ rung einer negativen Spannung hinreichender Größe, z. B. eines Impulses 12, an den Anschluß G wird die Kanalzone 1 b 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 1 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 An­ schluß 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.

Nach einer anderen Betriebsweise des in Fig. 1 darge­ stellten Thyristors wird der Gateanschluß G im blockier­ ten Zustand und im stromführenden Zustand mit einer ge­ genüber dem Anschluß K negativen Spannung solcher Größe beaufschlagt, daß die Kanalzone 1 b vollständig abge­ schnürt ist, so daß der Emitterkurzschluß 11 unterbro­ chen ist. Diese Betriebsweise eignet sich insbesondere für solche Thyristoren, deren N-Emitterschichten in an sich bekannter Weise mit festen Emitterkurzschlüssen ver­ sehen sind, die aus etwa zylinderförmigen Ansätzen der P-Basisschicht bestehen, die die N-Emitterschicht 1 an mehreren Stellen durchdringen und sich bis zur Ober­ fläche 1 a hin erstrecken, wie in Fig. 1 mit 15 und 16 angedeutet ist. In diesem Fall wird die negative Span­ nung an den Anschluß G lediglich im Zeitpunkt des Ab­ schaltens des Thyristors, also beim Übergang aus dem stromführenden in den blockierten Zustand, kurzzeitig ab­ geschaltet 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 Thyri­ stors zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Thyristors nach Fig. 2 ist die Emitterschicht 1 in zwei oder mehreren Emitterzonen 1′ unterteilt, die jeweils mit Kathodentei­ len 5′ versehen sind, welche ihrerseits an einen gemein­ samen Anschluß K geführt sind. In die einzelnen Emitter­ zonen 1′ eingefügte Gebiete 7′ sind jeweils mit Gateelektroden 8′ kontaktiert, die ebenfalls an einen gemeinsamen Anschluß G geführt sind. Jeder der PN-Übergänge zwischen den Emit­ terzonen 1′ und der P-Basisschicht 2 wird durch eine lei­ tende Belegung 9′ überbrückt, wobei die Kanalzonen der Feldeffekttransistoren jeweils in Serie zu diesen Be­ legungen 9′ in den Kurzschlußpfaden zwischen der P-Basis­ schicht 2 und den Kathodenteilen 5′ liegen. Dabei weisen die Teile 1′, 5′, 7′ und 9′ zweckmäßigerweise jeweils eine langgestreckte Form auf, wobei ihre Abmessungen senkrecht zur Bildebene von Fig. 2 wesentlich größer sind als in der Bildebene. Die Zündelektrode 14 mit dem Anschluß Z entspricht den bereits in Fig. 1 dargestell­ ten, mit den gleichen Bezugszeichen versehenen Teilen. Der Aufbau des Thyristors nach Fig. 2 kann bezüglich einer Ebene, die durch die Linie 18 verläuft und zur Bildebene der Fig. 2 senkrecht steht, symmetrisch sein. Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung kann der Thy­ ristor nach Fig. 2 auch einen rotationssymmetrischen Auf­ bau aufweisen, bei dem die Symmetrieachse aus der Linie 18 besteht. Die Teile 1′, 5′, 7′ und 9′ sind dann jeweils ringförmig ausgebildet.

Nach einer in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung der Er­ findung kann auch eine Zündelektrode EG in Form eines so­ genannten Emittergate vorgesehen sein, das auf der N-Emit­ terschicht 1 angeordnet ist. Dieses kann mit dem Anschluß G verbunden werden, da es einen gegenüber dem Kathodenan­ schluß K negativen Zündimpuls benötigt. Der gegenüber der Kathode K negative Impuls 12 bewirkt also hierbei nicht nur eine Unterbrechung des Emitterkurzschlußpfades 11 (Fig. 1), sondern auch gleichzeitig eine Unterstützung des Zündvorganges über das Emittergate EG.

Der Aufbau eines Thyristors nach Fig. 3 kann zweckmäßi­ gerweise zu einer Achse 19 rotationssymmetrisch sein oder bei langgestreckter Ausbildung der Teile 1, 5 und 8 bis 9 symmetrisch zu einer durch die Linie 19 verlaufende, senkrecht zur Bildebene von Fig. 3 liegenden Symmetrie­ ebene. Solche Aufbauformen wurden bereits anhand der Fig. 2 näher erläutert. Weiterhin kann auch bei einem Thy­ ristor nach Fig. 3 die N-Emitterschicht 1 in mehrere Emitterzonen 1′ unterteilt sein, die jeweils mit Kathoden­ teilen 5′, eingeschlossenen Gebieten 7′, Gateelektroden 8′ und leitenden Belegungen 9′ versehen sind, was ebenfalls be­ reits anhand von Fig. 2 veranschaulicht wurde.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der Er­ findung unterscheidet sich von Fig. 1 oder Fig. 3 le­ diglich 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 Fig. 1 bis 4 können zur Darstellung dieser Schaltungs­ variante herangezogen werden, wenn die Bezeichnungen der Anschlüsse A und K miteinander vertauscht werden und die Halbleiterteile 1 bis 4 und 7 jeweils die entgegengesetz­ ten Leitfähigkeitstypen zu den bisher beschriebenen auf­ weisen. Die Impulse 12, 13 und 17 besitzen dabei die je­ weils entgegengesetzten Vorzeichen. Schließlich sind auch Ausführungsformen der Erfindung zweckmäßig, bei de­ nen sowohl die N-Emitterschicht 1 als auch die P-Emitter­ schicht 4 mit jeweils einem oder mehreren steuerbaren Emitterkurzschlüssen versehen sind.

Claims (10)

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der eine außen­ liegende, mit einer Kathode als erste Hauptelektrode versehene N-Emitterschicht, eine außenliegeden, mit einer Anode als zweite Hauptelektrode versehene P-Emitter­ schicht und zwei an diese jeweils angrenzende Basisschich­ ten enthält, und mit einem steuerbaren Emitterkurzschluß, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Emitterkurzschlusses ein Sperrschicht-Feld­ effekttransistor vorgesehen ist, der ein in eine Emitter­ schicht (1) eingefügtes, zu dieser entgegengesetzt do­ tiertes und mit einer Gateelektrode (8) versehenes Halb­ leitergebiet (7) aufweist, so daß der unterhalb des Halblei­ tergebietes (7) liegende Teil (1 b) der Emitterschicht (1) die Kanalzone des Feldeffekttransistors bildet und 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 über eine leitende Belegung (9) mit der an die Emitterschicht (1) angrenzenden Basisschicht (2) und der andere Teil mit der zugehörigen Hauptelektrode verbunden ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Basisschicht (2), die an die den Feldeffekttransistor aufnehmende Emitter­ schicht (1) angrenzt, mit einer Steuerelektrode (14) ver­ sehen ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Feldeffektransi­ stor aufnehmende Emitterschicht (1) mit einem Emitter­ gate (EG) versehen ist, das mit einem Zündimpuls be­ schaltbar ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gateelektrode (8) des Feldeffekttransistors und das Emittergate (EG) mit einem gemeinsamen Anschluß (G) verbunden sind.

5. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Zündvor­ richtung zur Bestrahlung der den Feldeffekttransistor aufnehmenden Emitterschicht (1) und/oder der an diese an­ grenzenden Basisschicht (2) vorgesehen ist.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die den Feldeffekttransistor aufnehmende Emitterschicht (1) in eine Mehrzahl von Emitterzonen (1′) unterteilt ist, die jeweils mit Teilen (5′) der Kathode, mit Halbleiterge­ bieten (7′) und mit ihre PN-Übergänge zu der angrenzen­ den Basisschicht (2) überbrückenden leitenden Belegun­ gen (9′) versehen sind, und daß die Teile (5′) der Ka­ thode, die Halbleitergebiete (7′) und die leitenden Be­ legungen (9′) der Emitterzonen (1′) jeweils mit gemein­ samen Anschlüssen (K, G) verbunden sind.

7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Emitterzonen (1′) eine langgestreckte Form aufweisen und etwa parallel zueinan­ der angeordnet sind.

8. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Emitterzonen (1′) ring­ förmig ausgebildet und zueinander konzentrisch angeordnet sind.

9. Verfahren zum Betrieb des Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gateelektrode (87 des Feldeffekt­ transistors ein die Umschaltung des Thyristors aus dem blockierten Zustand in den stromführenden Zustand veran­ lassender Spannungsimpuls (12) zugeführt wird.

10. Verfahren zum Betrieb des Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gateelektrode (8) des Feldeffektran­ sistors eine die Kanalzone sperrende Vorspannung und ein die Umschaltung aus dem stromführenden Zustand in den blockierenden Zustand veranlassender, die Vorspannung kom­ pensierender oder überkompensierender Spannungsimpuls (17) zugeführt wird.