DE8012488U1

DE8012488U1 - Thyristor

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Publication number: DE8012488U1
Application number: DE8012488U
Authority: DE
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG
Publication date: 1980-08-28

Description

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Gesellschaft fur G'leic'hri chterbau und Elektronik m.b.H. 8500 Nürnberg, Sigmundstraße 200 Telefon 0911/ 65591 - Telex 06 - 22155Society for gauges and electronics m.b.H. 8500 Nuremberg, Sigmundstrasse 200 Telephone 0911/65591 - Telex 06 - 22155

167907/044 7. 5. 1980 PA - Bu/wl167907/044 May 7, 1980 PA - Bu / wl

THYRISTORTHYRISTOR

Die Erfindung betrifft einen Thyristor, dessen Halbleiterkörper eine Folge von wenigstens vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und eine, die Steuerelektrode wenigstens teilweise umschließende Emitterzone mit Durchbrüchen zum Durchgriff der angrenzenden Basiszone bis zur Emitterelektrode aufweist.The invention relates to a thyristor, the semiconductor body of which is a sequence of at least four layered Zones alternately of opposite conductivity type and one, the control electrode at least partially Surrounding emitter zone with breakthroughs for reaching through the adjoining base zone up to the emitter electrode having.

Bei Thyristoren mit sogenannten Emitterkurzschlüssen tritt die mit der Steuerelektrode versehene Basiszone in Durchbrüchen der angrenzenden Emitterzone durch die Letztere hindurch an die gemeinsame Oberfläche, und diese durchtretenden Teile der Basiszone sind über die Emitterelektrode gemeinsam elektrisch kontaktiert und schließen die Emitterzone kurz. Tritt am Thyristor eine Blockierspannung hoher Steilheit auf, so fließt wegen der kapazitiven Wirkung des sperrenden pn-Übergangs ein Teil des Verschiebungsstromes über die Durchbrüche direkt in die Emitterelektrode. Dadurch wird die Injektinnswirkung der Emitterzone in die angrenzende Basiszone reduziert, so daß bei entsprechender Dichte der Durchbrüche eine Zündung des Thyristors verhindert wird.In thyristors with so-called emitter short circuits, the base zone provided with the control electrode occurs in breakthroughs in the adjacent emitter zone through the latter to the common surface, and these penetrating parts of the base zone are jointly electrically contacted via the emitter electrode and short-circuit the emitter zone. If a blocking voltage of high steepness occurs at the thyristor, it flows because of the capacitive effect of the blocking pn junction, part of the displacement current through the Breakthroughs directly in the emitter electrode. As a result, the emitter zone is injected into the adjacent one Base zone reduced, so that an ignition of the thyristor with a corresponding density of the breakthroughs is prevented.

Bei bekannten Ausführungsformen von Thyristoren sind die Durchbrüche in quadratischem, hexagonalem, strahlenförmigem oder evolventenförmigetn Muster angeordnet. So ist es aus der deutschen Patentschrift 21 23 322 bekannt, Durchbrüche auf strahlenförmig von der Steuerelektrode ausgehenden Linien anzubringen. Um eine gewisse Mindestdichte der Durchbrüche über die Emitterfläche zu erreichen, sind bei zunehmendem Abstand benachbarter Strahlen auf der Winkelhalbierenden zwischen denselben zusätzliche Durchbrüehe vorgesehen. Eine solche Anordnung zeigt jedoch nicht die für eine Optimierung des du/dt-V/erhaltens geforderte, gleichmäßige Dichte der Durchbrüche.In known embodiments of thyristors, the openings are square, hexagonal, radial arranged in an involute pattern. That's the way it is known from German patent specification 21 23 322, breakthroughs to radiating out from the control electrode To apply lines. In order to achieve a certain minimum density of the breakthroughs over the emitter surface, are with increasing distance between adjacent beams on the bisector between the same additional breakthroughs intended. However, such an arrangement does not show the behavior required for optimizing the du / dt behavior, uniform density of the openings.

Insbesondere bei der für die Funktion des Thyristors vorteilhaften Lage einer kreisförmigen Steuerelektrode im · Zentrum der einen Hauptfläche zeigen die Muster der Durchbrüche bei bekannten Anordnungen teilweise die Nach-" teile ungleicher Abstände, unterschiedlicher Dichte sowie ungenügender Zündausbreitung.In particular with the advantageous for the function of the thyristor The position of a circular control electrode in the center of one of the main surfaces shows the pattern of the Breakthroughs in known arrangements partly have the disadvantages of unequal distances, different densities as well insufficient ignition propagation.

UeLter ist aus der deutschen Patentschrift 24 38 894 ein Thyristor mit Emitterkurzschlüssen bekannt, die einen Durchmesser gleich oder kleiner 20/um haben, und bei welchen das Verhältnis des Abstandes zweier benachbarter Kurzschlüsse zu ihrem Durchmesser größer oder gleich 3 ist. Da beide UerhältnisgröGen und damit auch das Verhältnis selbst wählbar sind, ist aus der angegebenen Bemessungsvorschrift kein Hinweis zu erkennen, wie mit einem Muster zur Anordnung der Durchbrüche, insbesondere im Bereich nahe der Steuerelektrodp, eine Optimierung sowohl d%3 du/dt-Uerhaltens als auch der Zündausbreitung erzielbar ist.UeLter is from German patent specification 24 38 894 a thyristor with emitter short-circuits known that have a diameter equal to or less than 20 μm, and in which the ratio of the distance between two adjacent short circuits to their diameter is greater or equals 3. Since both proportions and thus also the ratio itself can be selected, is from the specified Dimensioning regulation no indication of how to use a pattern for the arrangement of the openings, especially in the area near the control electrode, an optimization of both d% 3 du / dt behavior and the ignition propagation can be achieved.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für den Halbleiterkörper eines Thyristors ein Muster zur AnordnungThe invention was based on the object for the semiconductor body a thyristor a pattern for arrangement

uon Emitterkurzschlüssen anzugeben, mit uelchem zumindest im Bereich nahe der Steuerelektrode eine örtlich gleichmässige Zündnmfindlichkeit und im gesamten Bereich der Emitterzone eine glQichmäßige Dichte der Durchbrüche gegeben ist.To indicate emitter short circuits, with uelchem at least a locally uniform ignition sensitivity in the area near the control electrode and in the entire area of the emitter zone given an equal density of the breakthroughs is.

Zur Lösung der Aufgabe uird davon ausgegangen, daß die einer kreisförmigen Steuerelektrode nächstliegenden Durchbrüche auf einer konzentrischen Linie um die Steuerelektrode angebracht sind, und daß Anzahl und Lage der Durchbrüehe in an sich bekannter Weise durch die gewünschte, von den Dotierungsuerhältnissen vorgegebene Stabilität des du/dt-Vcrhaltens sowie die Geometrie der dotierten Zonen und der Emitterelektrode bestimmt sind. Hierzu uird auf K. Hartmann "Improvement of thyristor-turn-on by cancellation of the gate-cathode characteristic before injection" IEEE Transactions Electron Devices Vol. ED - 23 .No. B, pp. 912 - 917, souie auf A. Munoz-Yague and Leturcq: "Optimum design of thyristor gate emitter geometry" IEEE- Transaction Electron Devices, Vol. ED - 23, 1976, No. 8, pp. 917 - 924 verwiesen.To solve the problem it is assumed that the one circular control electrode closest breakthroughs on a concentric line around the control electrode are attached, and that the number and location of the breakthroughs in a manner known per se by the desired stability of the given by the doping ratios du / dt behavior and the geometry of the doped zones and the emitter electrode are determined. For this, see K. Hartmann "Improvement of thyristor-turn-on by cancellation of the gate-cathode characteristic before injection "IEEE Transactions Electron Devices Vol. ED - 23 .No. B, pp. 912 - 917, souie on A. Munoz-Yague and Leturcq: "Optimum design of thyristor gate emitter geometry" IEEE- Transaction Electron Devices, Vol. ED - 23, 1976, no. 8, pp. 917-924.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Thyristor der eingangs erwähnten Art darin, daß die Durchbrüche in einem der Steuerelektrode benachbarten Bereich, der gegenüber ihrem übrigen Bereich eine kleinere Flächenausdehnung aufweist, in einem Muster mit Linien jeweils gleichbleibenden Abstandes zur Steuerelektrode und im übrigen Dereich in vieleckförmigem Nüster angeordnet sind, und daß für die gewünschte Dichte von Durchbrüchen im Übergangsgebiet zwischen den Mustern zusätzlicne Durchbrüche vorge-ei",i_n sind.The solution to the problem is in a thyristor of the type mentioned in that the breakthroughs in an area adjacent to the control electrode, which has a smaller surface area than its remaining area has, in a pattern with lines each constant distance to the control electrode and im The rest of the area is arranged in a polygonal nostril are, and that additional for the desired density of breakthroughs in the transition area between the patterns Breakthroughs are pre-ei ", i_n.

lit I ■ < ι Ilit I ■ <ι I

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III I ' ' ■ Il I I Ί I IIII I '' ■ Il I I Ί I I

Die Steuerelektrode kann kreisscheibBnförmig oder bogenförmig ausgebildet sein, und dia Durchbrüche sind dann vorteilhaft in dem der Steuerelektrode benachbarten Bereich in einem kreisförmigen oder kreisbogenförmigen Muster konzentrisch zur Steuerelektrode angeordnet.The control electrode can be circular disk-shaped or arc-shaped be formed, and the openings are then advantageous in the area adjacent to the control electrode in a circular or arcuate shape Pattern arranged concentrically to the control electrode.

Vorteilhaft ist aufgrund der Vorgabe der Anzahl der Durchbrüche auf der innersten Linie der gegenseitige Abstand der Linien so gewählt, daß benachbarte Durchbrüche auf benachbarten Linien jeweils die Ecken annähernd gleichseitiger Dreiecke bilden.It is advantageous due to the specification of the number of openings on the innermost line the mutual spacing of the lines is chosen so that adjacent breakthroughs open adjacent lines each form the corners of approximately equilateral triangles.

Das Muster gemäß der Erfindung ist weiter so ausgebildet, daß jede der zur Steuerelektrode konzentrischen Linien die gleiche Anzahl von Durchbrüchen und annähernd gleichen Abstand zu den benachbarten Linien aufweist, und daß das Verhältnis der Fläche der Durchbrüche jetler Linie zur Fläche des zugeordneten Emitterzonenabschnit-tes im wesentlichen konstant ist.The pattern according to the invention is further designed so that each of the lines concentric to the control electrode has the same number of breakthroughs and approximately the same distance from the neighboring lines, and that the ratio of the area of the perforations jetler Line to the area of the assigned emitter zone section is essentially constant.

Bei kreisförmigem Muster soll das Verhältnis der Radien von äußerstem Kreis und innerstem Kreis maximal 4 sein.In the case of a circular pattern, the ratio of the radii should be the outermost circle and the innermost circle must be a maximum of 4.

Vorzugsweise sind die Durchbrüche kreisscheibenförmig ausgebildet und in einem kreisförmigen Muster angeordnet. Ihr Radius ist dann durch die BeziehungThe openings are preferably in the shape of a circular disk formed and arranged in a circular pattern. Your radius is then through the relationship

bestimmt. Dabei ist R. der Radius des innersten Kreises, R der Radius des η-ten Kreises, r. der Radius der Durchbrüche des innersten Kreises und r der Ra-certainly. R. is the radius of the innermost circle, R is the radius of the η-th circle, r. the radius of the breakthroughs in the innermost circle and r of the radii

dius der Durchbrüche auf dem η-ten Kreis. Zur Sicher-dius of the breakthroughs on the η-th circle. For safety

stellung der gewünschten Dichte der Durchbrüche im Bereich des Übergangs vom Muster mit Linien gleichbleiben- | den Abstandos zur Steuerelektrode in das vieleckförmigeposition of the desired density of the breakthroughs in the area of the transition from the pattern with lines remain the same- | the distance to the control electrode into the polygonal

Muster weisen diejenigen Vielecke des Letzteren,die anPatterns indicate those of the latter's polygons that indicate

m eine Linie stoßen oder von einer Linie zerteilt werden, oh- | ne daß ein Durchbruch der Linie in ihre Fläche fällt, im ·■'■>■ Zentrum ihrer Fläche jeweils einen zusätzlichen Durchbruch · ': auf. : m bump into a line or be parted by a line, oh- | ne that a breakthrough line falls in their area, in · ■ '■> ■ center of their area each additional breakthrough ·': to. :

Die Durchbrüche im übrigen Bereich der Emitterzone sind .■ vorzugsweise in rechteckförmigem oder dreieckförmigemThe openings in the remaining area of the emitter zone are preferably rectangular or triangular

Muster angeordnet. _< ,'Pattern arranged. _< , '

Anhand der zur Veranschaulichung stark vergrößerten, beispielhaften Darstellung einer Anordnung von Durchbrüchen
in den Figuren 1 und 2 wird der Gegenstand der ErfindungOn the basis of the example representation of an arrangement of openings, greatly enlarged for the purpose of illustration
in Figures 1 and 2 is the subject of the invention

aufgezeigt und erläutert. Figur 1 zeigt einen Teil einesshown and explained. Figure 1 shows part of a

kreisförmigen Musters mit kreisscheibenförmigen Durch- 'circular pattern with circular disc-shaped through '

brüchen in dem der Steuerelektrode benachbarten Bereich
der Emitterzone, und in Figur 2 ist jeweils ein Teil beider Muster mit gegenseitiger Überlagerung dargestellt. /breaks in the area adjacent to the control electrode
the emitter zone, and in Figure 2 a part of both patterns is shown with mutual superimposition. /

Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeich-- .:. nungen gewählt. ifThe same designations are used in both figures for the same parts -.:. elected. if

Bei dem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterkörpers gemäß ;.· Figur 1 ist die kreisscheibenförmige Steuerelektrode S t In the embodiment of a semiconductor body according to FIG. 1, the circular disk-shaped control electrode S t

im Zentrum einer Halbleiterscheibe vom Innenrand E derin the center of a semiconductor wafer from the inner edge E of the

Emitterzone konzentrisch umschlossen. Die Lage des ersten Kreises 1 mit dem Radius R. und der Durchbrüche 41
ist durch funktionsbedingte und technologische Gesichtspunkte in bekannter U&isi- bestimmt. Weiterhin ist der
Kreis 1 konzentrisch von Einern Kreis 2 mit DurchbrüchenEmitter zone enclosed concentrically. The position of the first circle 1 with the radius R. and the openings 41
is determined by functional and technological aspects in well-known U & isi. Furthermore, the
Circle 1 concentric of one circle 2 with openings

42 umschlossen. Der gegenseitige Abstand der beiden42 enclosed. The mutual distance between the two

Kreise ist dadurch bestimmt, daß benachbarte Durchbrüche
41 und 42 der beiden Kreise jeweils die Ecken annähernd
gleichseitiger Dreiecke bilden. Diese Vorschrift ergibtCircles is determined by the fact that neighboring openings
41 and 42 of the two circles each approximate the corners
form equilateral triangles. This rule results

ι · ιι · ι

• · ι• · ι

eine regelmäßige Anordnung einer gleichen Anzahl von Durchbrochen auf allen Kreisen. Mit diesem regelmäßigen Muster der Durchbrüche ist aber auch sine regelmäßige Anordnung v/on Zündausbreitungskanälen in der Nähe der Steuerelektrode gegeben.a regular arrangement of an equal number of perforations on all circles. With this regular pattern of the breakthroughs, however, is also their regular arrangement v / given by ignition propagation channels near the control electrode.

Die gleichmäßige Dichte der Durchbrüche zwecks Optimierung des du/dt-Verhaltens ist dadurch gewährleistet, daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche jedes an den Kreis 1 anschließenden weiteren Kreises entsprechend der Zunahme der Kreisflächen und dadurch auch der Flächen der zugeordneten Emitterzonenabschnitte angepaßt vergrößert wird. DiG Vergrößerung soll angepaßt sein, indem das Verhältnis der Fläche der Durchbrüche zweier Kreise gleich dem Verhältnis der Radien der beiden Kreise ist, also durch die formale BeziehungThe uniform density of the breakthroughs for the purpose of optimizing the du / dt behavior is guaranteed by the fact that the total area of all openings of each further circle adjoining circle 1 according to the increase of the circular areas and thereby also the areas of the associated emitter zone sections adapted enlarged will. DiG magnification should be adjusted by making the ratio of the area of the openings of two circles equal the ratio of the radii of the two circles, i.e. through the formal relationship

^R2 ^R 2

bestimmt sein.be determined.

Demzufolge ist beispielsweise die Gesamtfläche aller Durchbrüche eines Kreises mit gegenüber dem ersten Kreis vierfachem Radius gleich dem vierfachen der Gesamtfläche aller Durchbrüche des ersten Kreises. Sie ist dadurch beschränkt, daß das wegen der Optimierung der Zündausbreitung vorteilhafte kreisförmige Muster der Durchbrüche bei einer beträchtlichen Ausdehnung desselben in die Emitterzone eine zu geringe Anzahl von Durchbrüchen liefert, wodurch das du/at-Verhalten in der Nähe der Steuerelektrode beeinträchtigt wird. Mit kreisförmigem Muster in einem Bereich mit maximal vierfachem Radius des äußersten Kreises η gegenüber dem Kreis 1 wurdenAs a result, for example, the total area of all openings in a circle is compared to the first circle four times the radius equal to four times the total area of all openings in the first circle. She is through it limits that the advantageous because of the optimization of the ignition propagation circular pattern of the breakthroughs if it extends considerably into the emitter zone, the number of breakthroughs is too small returns, which makes the du / at behavior close to the Control electrode is affected. With circular Patterns in an area with a maximum of four times the radius of the outermost circle η compared to circle 1 were

>· günstige Ergobnissa erzielt. BGispialsueise kann bei einem Halbleiterkörper mit einem Durchmesser der Emitterflache von 23mm dor Bereich mit konzentrischer Anordnung der Durchbrüche eine Fläche von 14$ der Emitterfläche einnehmen.> · Inexpensive ergobnissa achieved. BGispialsueise can with one Semiconductor body with a diameter of the emitter surface of 23mm dor area with concentric arrangement of the openings occupy an area of 14 $ of the emitter area.

Tritt an den nicht dargestellten Laststromelektroden eine Blockierspannung hoher Steilheit auf, so fließt aufgrund der Sperrschichtkapazität des Thyristors ein Verschiebungsstrom zu der auf der Emitterzone aufgebrachten Emittni.·- elektrode. Dieser Strom fließt jedoch nur zum Teil in die Emitterzone (E). Der andere Teil fließt durch die Durchbrüche 41, 42, 43 usu. der Basiszone B in die Emitterelektrode¹ und den darauf befestigten, ebenfalls nicht dargestellten Stromleiter. Dadurch wird die Injektionsuirkung der Emitterzone entsprechend reduziert, so daß der Thyristor nicht zündet. Eine Zündung kann nur aufgrund einer Spannung höherer Steilheit erfolgen.If a blocking voltage of high steepness occurs at the load current electrodes (not shown), a displacement current flows to the emitter electrode applied to the emitter zone due to the junction capacitance of the thyristor. However, this current only partially flows into the emitter zone (E). The other part flows through the openings 41, 42, 43 ^{and so on in the base zone B into the emitter electrode 1} and the current conductor (also not shown) attached to it. This reduces the injection effect of the emitter zone accordingly, so that the thyristor does not ignite. Ignition can only take place on the basis of a voltage with a higher slope.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausfühlungsbeispiel schließt>an das kreisförmige Muster in dem der Steuerelektrode benachbarten Bereich ein quadratisches Huster im übrigen Bereich an. Zur Sicherstellung der geforderten Dichte der Durchbrüche 5 sind die beiden Muster im Grenzgebiet in der Weise überlagert, daß das quadratische Muster vom Emitteraußenrand nach innen bis über den äußeren Kreis η ausgedehnt ist, und daß die den Kreis η berührenden oder überlappenden, quadratischen Flächenabschnitte 7, soueit in sie kein Durchbruch des kreisförmigen Musters fällt, jeweils nicht an ihren Ecken auf dem oder innerhalb des Kreises n, sondern in ihrem Zentrum mit einem zusätzlichen Durchbruch 6 versehen sind. Dessen Flächenausdehnung kann derjenigen der regelmäßigen Durchbrüche entsprechen.In the exemplary embodiment shown in FIG closes> a square cough to the circular pattern in the area adjacent to the control electrode in the rest of the area. To ensure the required density of the openings 5, the two patterns are in Boundary area superimposed in such a way that the square pattern from the emitter outer edge inwards to over the outer circle η is extended, and that the circle η touching or overlapping, square surface sections 7, so that no breakthrough of the circular pattern falls into them, not at their corners on or within the circle n, but provided with an additional opening 6 in its center are. Its surface area can correspond to that of the regular openings.

In gleicher Ueise ist ein Übergang von kreisförmigem zu rautenförmigem oder von kreisförmigem zu hexagonalem Huster erzielbar.In the same way there is a transition from circular to diamond-shaped or from circular to hexagonal Cough achievable.

Die Vorteile des Gegenstandes dor Erfindung bestehen darin, daß sowohl in der Nähe der Steuerelektrode als auch im übrigen Bereich ■ durch einfache Bemessungsvorschriften Durchbrüche in regelmäßiger Anordnung und gleichmäßiger Dichte angebracht sind, und daß durch die unterteilte Anordnung Zündausbreitung und du/dt-Verhalten im ganzen Emitterzonenbereich optimiert sind.The advantages of the subject matter of the invention are that both in the vicinity of the control electrode and in the rest of the area ■ through simple dimensioning rules breakthroughs are arranged in a regular arrangement and uniform density, and that by the subdivided arrangement Ignition propagation and dv / dt behavior in the entire emitter zone area are optimized.

Claims

_EXPECTATIONS

1. Thyristor, the semiconductor body of which is a result of uon

¹ | at least uier layered zones alternately ent

opposite conduction type and an emitter zone at least partially surrounding the control electrode Has breakthroughs for penetration of the adjoining base zone up to the emitter electrode, characterized in that

that the openings (41, 42, 43) in one of the control electrode (S) adjacent area, the opposite its remaining area has a smaller area, in a pattern with lines that remain constant Distance (1, 2) to the control electrode and in the rest of the area in a polygonal pattern. _net are, and

that for "" dif! Desired density of breakthroughs in the Transition area between the patterns additional openings (6) are provided.

2. Thyristor according to claim 1, characterized in that the control electrode (S) or circular disk-shaped Is arcuate, and that the openings (41, 42) in the one adjacent to the control electrode Area in a circular or arcuate shape Patterns are arranged concentrically to the control electrode.

3. Thyristor according to claim 1 or 2, characterized in that each of the control electrode (S) is concentric Lines (1,2) have the same number of openings (41, 42) each with essentially

constant ratio of their area to area of the assigned emitter zone section and approximately is the same distance from the neighboring lines.

4. Thyristor according to one of claims 1 to 3, characterized marked, daQ based on the known determination the number of openings (41) on the innermost line (1) the mutual spacing of the lines (1,2) is chosen so that adjacent openings (41, 42) on adjacent lines (1,2) each form the corners of one form an approximately equilateral triangle.

5. Thyristor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the circumference of the η-th circle is the same four times the circumference of the innermost circle.

• 6. Thyristor according to one of Claims 2 to 5, characterized in that the openings (41, 42) Are circular disc-shaped and on the respective Circle of a circular pattern have a radius according to the relationship

where R. is the radius of the innermost circle (i), R is the radius of the η-th circle, T _{1 is} the radius of the openings (41) of the innermost circle (1) and r is the radius of the openings on the η-th circle.

7. Thyristor according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the region of the transition

¹¹ ■ - 3 - ¹ "

from the pattern with lines of constant distance to the Control electrode in the polygonal pattern the polygons (7) that abut the outermost line or are divided by this line without any breakthroughs this line fall into its surface, each have an additional breakthrough in the center of their surface.

8. Thyristor according to one of the preceding claims, ' characterized in that the openings in the remaining area of the emitter zone are rectangular or triangular pattern are arranged.