THYRISTOR CONTROLLED BY FIELD EFFECT TRANSISTOR

Abstract: 1. A thyristor (Th) comprising a semiconductor (1), in which an outer cathode-side zone (2), an inner zone (3), a central zone (4) and an anode-side zone (5) are arranged in contact one upon another, and the outer cathode-side zone (2) and the anode-side zone (5) are respectively contacted by a cathode electrode (6) and an anode electrode (9), and on one side of which, in the same semiconductor body (1), there is arranged a field effect transistor (FET), whose zones consist of parts (12, 14, 15) of the zones of the thyristor, characterized in that the centre zone (4) of the thyristor is weakly doped in comparison with the other zones ; that the thyristor (Th) has a shunt between the outer cathode-side zone (2) and the adjoining inner zone (3) ; that the field effect transistor (FET) is arranged on the side of the outer cathode-side zone (2) which faces away from the shunt ; that the source zone of the field effect transistor consists of a part of the outer cathode-side zone (2) and the drain zone consists of a part (15) of the central zone (4) which reaches the surface of the semiconductor body (1) ; that the control zone is formed by a part (12) of adjoining inner zone (3) which comes to the surface between said zones, and at least this part (12) of the inner zone (3) is covered by a control electrode (8) which is insulated from the surface of the semiconductor body.

Description: Thyristor mit Steuerung durch Feldeffekttransistor Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyri- stor mit einem Halbleiterkörper mit vier aneinandergrenzenden, übereinanderliegenden Zonen abwechselnden Lei tumgstyps, mit einer die äussere katodenseitige Zene kontaktierenden Katodenelektrode und einem elektrischen Nebenschluss zwischen dieser Zone und der angrenzendenen --- neren Zone, mit einer im Vergleich zu den anderen Zenem schwach dotierten Mittelzone und einer die äussere ano denseitige Zone kontaktierenden Anodenelektrode. Solche Thyristoren sind allgemein gebräuchlich. Sie ve- nötigen zum Ansteuern Ströme von 10 mA und mehr. Soller solche Thyristoren von Mikrocomputern oder Speicherschaltungen angesteuert werden, so sind Verstärkerschal- tungen notwendig, die einen relativ hohen Aufwand dar stellen. Der Erfindung liegt die AufgaDe zugrunde, einen Thyri- stor der eingangs erwähpten Art so weiteraubilden, dass er mit wesentlier. geringerer @eistung als bister bekan te Thyristoren antesteuert werden kann. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen auf der dem Nebenschluss- abgewandter. Seite der Katodenelektrode angeordaeten Feldeffokttransistor, dessen Quelle aus einem Teil der äusseren katodenseitigen Zone, dessen Senke aus einem an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretenden Teil der Müttelzone besteht und dessen Steuerzone durch ein zwischen der genannten Zonen an die Oberfläche tretendes Teil 1 der augrenzenden inneren Zone gebildet ist, und mit einer mindestens dieses Teil der angrenzenden inneren Zone bedeckenden, gegen die Oberfläche des Halbleiterkörpers isolierten steuerelektrode. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird an Fand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch den Halbleiterkörper des er findungsgemässen Thyristors und Fig. 2 das in den Halbleiterkörper des Thyristors nach Fig. 1 eingezeichnete Ersatzschaltbild. In Fig. 1 ist der Halbleiterkörper des Thyristors mit 1 bezeichnet. Er weist eine katodenseitige äussere Zone 2, eine daran angrenzende innere Zone 3, eine Mittelzone 4 und eine anodenseitige äussere Zone 5 auf. Die genannten Zonen haben abwechselnden Leitungstyp, zum Beispiel die Zonenfolge npap. Die Mittelzone 4 ist, wie bei Thyristo ren üblich, gegenüber den Zonen 2, 3 und 5 schwach dotiert. Sie kann über ihre Dicke konstant dotiert sein Die Zone 2 und 2 sind durch einen Katodenkontakt 6 kon taktiert, der zur Stromzuführung dient und gleichzeitig den zum Betrieb eines Thyristors notwendigen Emitter-Basis-Nebenschluss herstellt. Anodenseitig ist der HaIblei- terkörper mit einer Anodenelektrode 9 kontaktiert, die zum Beispiel Teil eines Gehäuses sein kann. Die Zonen 2, Z, 4, 5 und die Elektroden 6, 9 gehören zum eigentlicher Thyristor, das heisst zum Leistung schaltenden Bauelement. Dieser Thyristor ist gestrichelt umrahmt und mit Th bezeichnet. Die Oberfläche der Zonen 2, 3 ist zum gröbsten Teil mit einer Isolierschicht 7 bedeckt, die zum Beispiel aus Si liciumdioxid besteht. Auf der Isolierschicht 7 ist eine Steuerelektrode 8 angeordnet, die damit gegen die Ober x che des Halbleterköers isoliert ist. Die Zone S lst ein Teil 12 auf, das unter der Steuerelektro@e @ an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 tritt. e Mittelzone 4 hat ein Teil 15, das ebenfalls an die Ober- fläche des Halbleiterkörpers 1 tritt. Das Teil 12 der inneren Zone 2 liegt dabei zwischen der katodenseibigen äusseren Zone 2 und dem Teil 15 der Mittelzone 1. D ne 2 bildet die Quelle und das Teil 15 der Zone 1 die Senke des eingangs erwähnten Feldeffekttransistors. Das Teil 12 ist die Steuerzone. Im Teil 12 bildet sich an der Oberfläche in Abhängigkeit von der an die Steuerelektrode 8 angelegten Spannung durch Ladungsträgerin- version ein Kanal 18 aus. Dieser ermöglicht bei angelegter Steuerspannung einen Stromfluss von der katodenseiti- gen äusseren Zone 2 über den Kanal 18 zur Mittelzone 4. Der Feldeffekttransistor ist durch gestrichelte Linien umrandet und mit FET bezeichnet. Die S@@urelekt@ons @ neir. da@@ @@@ stallinem Silicium mit zum Rand schräg abfallenden Flan ken 13 bestahen. @ @@@ die Zo ne 2 und die Teile 11, 12 dar Zone 3 durch doppelte Ionenimplantation erzengt werden. Für die zu implantierenden Ionen wirkt die Steuerelektrod@ 8 als Maske der art, dass der Innenrand der Zoe 2 ein zur Oberfläche des Ralbleiterkorpers ansteigende schräge Flanke 14 erhält, während das oben erwähnte Teil 12 der Zone 3 unter dem gleichen Winkel schräg zur Oberflache des Halbleiterkörpers ansteigt. Mit der Ionenimplantation kann man kleine Schichtdirken sehr genau herstellen. Mit einer kleinen Dicks des Teils 12 erhält man eine kurze Länge des Kanals 18 und damit hohe Schaltgschwindigkeit. Das Tri 10 der Zone 3 kann durch Diffusion oder eine Ionenimplamtation unter anderen Bedingungen erzeugt werden. Damit lassen sich die Eigenschaften des Thyristors Th unabhängig von denen des Feldeffekttransistors FET einstellen. Insbesonders ist es empfehlenswert, das Teil 12 der Innenzone 2 schwacher als ihr Teil 10 zu dotieren, um die Feldstärke in der Steuerzone an der Halbreiter- oberfläche klein zu halten. Zur Herabsetzung der Oberflächenfeldstärke zwischen den Zonen 2 nd 4 können Schutzzonen 17 vorgesehen sein, die gegenüber der Zone 4 stark dotiert sind. Im übrigen kann die Oberfläche des Halbleiterkörpers ausserhalb der Iso lierschicht 7 mit einer dUnnen Passivierungsschicht 16 bedeckt sein, die beispielsweise aus aufgedampftem Silicium besteht. Diese Passivierungsschicht wird dann mit Siliciumdioxid bedeckt. Die in Fig. 1 gezeigte Struktur kann in der Aufsicht rechteckig und symmetrisch zu einer durch die Steuerelektrode gelegten Ebene aufgebaut sein. Für höhere Leistungen empfiehlt sich eine aus einer Vielzahl dieser Strukturen gebildete Anordnung, die rasterförmig auf ei nein grossen Chip angeordnet sind. Die Steuerelektroden und Katodenelektroden werden dann wie bei integrierten Schaltkreisen üblich durch. Leiterbahnen miteinander verbunden. Der beschriebene Thyristor kann wie folgt dimensioniert sein: Dicke der Zone 5 ca. 200 /um; Dicke der Mittelzo ne 4: 5 bis 50 m, Dotierung 5 . 1013 bis 5 . 1015 cm 3; Dicke des Teils 10: 1 bis 10 /um, Randdo tierung 1017 bis 1018 cm 3; Dicke der Teile 11, 12 ca. 0,5 /um, Bor-Implantation Dosis 1 bis 4 . 1012 cm 2, Energie 100 bis 800 keV; Dicke der Isolierschicht 7: 0,03 bis 0,2 /um; Dicke der Zone 2 ca. 0,1 /um, Arsen- Implantation Dosis 1013 bis 1016 cm-2, Energie 50 bis 200 keV; Dicke der Steuerelektrode 0,4 bis 1 m; Kanal- ca. 0,5 m. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung wird auf die Fig. 2 verwiesen. Gleiche Teile sind hier mit gl-i chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Der Emitter- Basis-Widerstand des Thyristors ist mit 20 bezeichnet. @s ist ersichtlich, dass an der Oberfläche des Teils i: (Steuerzone) der Zone 3 durch Ladungsträgerinversion ef Kanal 18 gebildet wird, wenn an die Steuerelektrode 8 positives Potential gelegt wird. Bei überschreiten der Einsatzspannung fliesst bei der eingezeichneten Polarität ein Strom durch den Feldeffekttransistor, das heisst von der Katodenelektrode 6 über die Zone 2, den Kanal 8 in die Mittelzone 4. Aus Gründen des Ladungsträgergleichge wichts am pn-Übergang zwischen den Zonen 4 und 5 werden nun positive Ladungsträger in die Mittelzone 4 injiziert. Diese fliessen zur Zone 3 und verursachen dort eine Emission von Elektronen aus aer Zone Z. Bei Erreichen der Zündbedingung wird der Thyristor Th gezündet. Die Steuerung des Thyristors erfolgt damit ausgesehen von den dielektrischen Verlusten in der Isolierschicht 7 leistungslos. 7 Patent ansprüche gurer

Claims: Patentansprüche 1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier anein andergrenzenden, übereinanderlieganden Zonen abwechselnden Leitungstyps, mit einer die äussere katodenseitige Zone kontaktierenden Katodenelektrode und einem elektri schen Nebenschluss zwischen dieser Zone und und des angren- zenden inneren Zone, mit einer im Vergleich zu den anderen Zonen schwach dotierten Mittelzone und einer die äu Bere anodenseitige Zone ontaktierenden Anodenelektrode, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen auf der dem Nebenschluss abgewandten Seite der Katodenelektrode (6) angeordneten Feldeofekttransistor (FET). dessen Quelle aus einem Teil der äusseren katodenseitigen Zone (2), dessen Senkt aus einem an die Oberfläche des Hzlbleiterkörpers (1) tretenden Teil (15) der Mittelzone (4) besteht und dessen Steuerzone durch ein zwischen den ge nannten Zcnen an die Oberfläche tretendes Teil (12) der angrenzenden inneren Zone ( ) gebildet ist. mit einer mindestens dieses Teil (12) der inneren Zone (a) bedekkenden, gegen die Oberfläche des Halbleiterkdrpers isolierten Steuerelektrode (8). 2. Thyristor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens die zum Feldeffekttransistor (FET) gehörenden Teile der äusseren katodenseitigen Zone (2) und der angrenzenden inneren Zone (3) durch Ionenimplantation hergestellt sind. 3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das an die Oberfläche tretende Teil (12) der angrenzenden inneren Zone (3) dünner als ihr unter der äusseren katodenseitigen Zone (2) liegende Teil (10) ist. 4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, e a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuerelektrode (8) aus hochdotiertem polykristallinem Silicium besteht und zu ihrem Rand hin abgeschrägte Flanken (13) hat. 5. Thyristor nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die äussere katodenseitige Zone (2) bis unter die Steuerelektrode (8) reicht, dass ihr unter der Steuerelektrode (8) liegende Rand (14) zur-Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) hin abgeschrägt ist, und dass das unter der Steuerelektrode liegende Teil (12,) der angrenzenden Innenzone (3) schräg zur Oberfläche ansteigend angeordnet ist. 6. Thyristor nach einem der Anspruche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n. z e i G h n e t , dass das zum Feldeffekttransistor (FET) gehörende Teil (12) der an grenzenden Innenzone (3) dünner als das zum Tnyristor (Th) gehörende Teil (10) dieser Innenzone ist. 7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das zum Feldeffekttransistor (FET) gehörende Teil (12) der angrenzenden Innenzone (3) schwächer dotiert ist als das zum Thyristor (Th) gehörende Teil (10) dieser Innenzone

Inventors: KRAUSSE, JURGEN, DR. ING., TIHANYI, JENO, DR. ING. DIPL. PHYS., Krausse, Jürgen, Dr. Ing., Tihanyi, Jenö, Dr. Ing. Dipl. Phys.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29, H01L21