THYRISTOR CONTROLLED BY A FIELD-EFFECT TRANSISTOR

Abstract: 1. A thyristor having a semiconductor body with the features : the semiconductor body has four zones (2, 4, 1, 5) of alternating conductivity type ; respective pn-junctions (13, 14, 16) are arranged between the zones ; the first zone (2) is arranged on the first surface of the semiconductor body ; the second zone (4) borders on the first zone (2) and appears at the first surface ; the third zone (1) borders on the second and fourth zones and appears on the first surface ; the first zone (2) is contacted with an electrode (9) and is connected to the second zone (4) by means of a shunt (10) ; an FET is integrated into the same semiconductor body, which FET is intended to bridge the pn-junction lying between the second and third zones ; the source and drain zones (3, 1) of the FET are arranged on the first surface ; characterised by the following features ; the source zone (3) is arranged in the second zone (4) ; the channel (8) is produced in a section of the second zone (4) which appears at the surface and forms the gate zone (6) ; compared with the other zones, the third zone (1) is weakly doped and the part of it which adjoins the first surface forms the drain zone of the FET.

Description: Thyristor mit Steuerung durch Feldeffekttransistor Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier aneinandergrenzenden Zonen abwechselnden Leitungstyps, zwischen denen je ein pn-Über gang liegt, mit einer die äussere katodenseitige Zone kontaktierenden Katodenelektrode, mit einem Nebenschluss zwischen dieser Zone und der angrenzenden inneren kato- denseitigen Zone, mit einer anodenseitigen Zone, und einer zwischen dieser Zone und der inneren Zone liegenden Mittelzone, die im Vergleich zu den anderen Zonen schwach dotiert ist, und mit einer Steuerelektrode. Solche Thyristoren sind allgemein gebräuchlich. Sie benötigen in grösseren Ausführunge zum Zünden Ströme von 10 mA und mehr. Sollen solche Thyristoren von Mikrocom- guter: oder Speicherschaltungen angesteuert werden, so sind Stromverstärker notwendig, die einen relativ hohen Aufwand darstellen. Auf Grund des Einschaltmechanismus eines Thyristors, den man sich aus zwei rückgekoppelten Transistoren bestehend vorstellen kann, benötigen solche ipolaren Thyristoren zum Zünden relativ viel Zeit, die n der Grössenordnung von 10 7us bis zu einigen ms liegen kann. Für manche Anwendungszwecke sind j edoch äusserst schnell schaltende Thyristoren erwünscht. Der E-findung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, dass er mit wesentlich geringerer Leistung als bisher bekann- te Thyristoren ässerst schnell angesteuert fwerden kann. Die Erfindung ist gekennzeIchnet durch einen in den Halbleiterkörper integrierten, den zwischen der Mittelzone und der genannten angrenzenden katodenseitigen inneren Zone liegenden pn-Übergang überbrückenden Feldeffekttransistor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild des erfindungsgemässen Thy ristors, Fig. 2 einen Schnitt durch den Halbleiterkörper eines ersten Thyristors und Fig. 3 den Schnitt durch einen Halbleiterkörper eines zweiten Thyristors. Das Prinzipschaltbild in Fig. 1 zeigt einen aus vier Zonen 2, 4 1, 5 abwechselnden Leitfähigkeitstyps bestehenden Halbleiterkörper eines Thyristors. Die n-leitende Innenzone 1 und die angrenzende katodenseitige p-dotier- te Innere Zone L sind durch einen pn-4Jb'ergang 14 voneinander getrennt, der durch die Laststrecke eines elde- fekttransistors FET überbriuckt ist. Dabei ist die Zone 4 mit der Quelle S (Source) und die Innenzone 1 mit der Senke D (Drain) des Feldeffekttransistors verbunden. Bei der eingezeichneten Polarität der am Thyristor lie wenden Spannung werde an den Steuereingang G (Gate) des FET eine Steuerspannung angelegt. Dabei fliessen negative Ladungsträger aus der Zone 2 über den in Durchlassrich- tung vorgespannten pn-Jbergang 13 in die Zone 4 und von da über die Laststrecke des FET In die Zone 1. Gleich zeitig fliessen aus der t-dotierten Zone 5 Löcher über den durchlässigen Dn-Ubergang 16 in die Innenzone 1 des Thyristors. Damit wird der pn-übergang 14 in Durchlass- richtung vorgespannt. Das heisst, dass die beiden Tell- transistoren des Thyristors unmittelbar ohne die bei üblichen bipolaren Thyristoren mittelbar angeregte Injektion von Löchern aus der äusseren anodenseitigen Zone eingeschaltet werden. Dies bedeutet, dass der Thyristor durch Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektrode G äusserst schnell eingeschaltet werden kann. Die Steuerung erfolgt dabei, wie bei durch Feldeffekt gesteuerten Bauelementen üblich, bis auf dielektrische Verluste nahezu leistungslos. Die eingezeichneten Widerstände R 1 und R 2 sind zur Funktion des Bauelements nicht unbedingt erforderlich. Es empfiehlt sich jedoch, wie bei Thyristoren allgemein üblich, zur Verbesserung des du/dt-Verhaltens wenigstens katodenseitig einen Emitter-Basis-Nebenschluss vorzusehen, der durch den Widerstand R 1 repräsentiert wird. Eine weitere Verbesserung kann durch einen anodenseitl- gen Nebenschluss erreicht werden, der durch den Widerstand R 2 dargestellt ist. Der in Fig. 2 dargestellte Halbleiterkörper weist wie im Prinzipbild nach Fig. 1 eine schwach n-dotierte innere Zone 1, eine daran angrenzende stark p-dotierte kato- aenseitige innere Zone 4 und eine katodenseitige äussere Zone 2 auf, die stark n-dotiert ist. Die anodenseitige äussera Zone 5 ist stark p-dotiert. Die genannten Zonen sind durch die pn-Übergänge 13, 14, 15 voneinander getrennt. Die genannten Zonen bilden den Thyristorteil des Halbleiterkörpers. Weiterhin weist der Halbleiterkörper eine stark n-dotierte Zone 3 auf, die auf der Katodenseite an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt. Diese Zone 3 kann die gleiche Tiefe wie die Zone 2 und die gleiche Dotiegskonzentration wie diese aufweisen. Die Steuerzone des Feldeffekttransistors wird durch ein Teil 6 der katodenseitigen inneren Zone 4 des Thyristors gebildet. Dieser Teil 5 ist zweckmässiger'ise wenigstens teilweIse dünner ausgebildet als der zum Thyristor gehörede Teil der Zone 4. Die Innenzone 1 tritt neben der Steuerzone 6 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers. Die Zone 3 bildet dann die Quelle und die Zone 1 die Senke des in den Halbleiterkörper integrierten FET. Zweckmässigerweise werden zumindest die Zone 3 und die Steuerzone 6 durch Ionenimplantation hergestellt. Damit kann man insbesondere eine sehr geringe Dicke der Steuerzone 6 und damit eine äusserst kurze Kanallänge des FET erreichen. Damit wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielt. Zur Herstellung der Steuerzone 6 durch Ionenimplantation empfiehlt es sich, eine aus hochdotiertem, n-leitenden polykristallinem Silicium bestehende Steuerelektrode zu verwenden. Die Steuerelektrode 17 wird auf einer den Halbleiterkörper bedeckenden Isolierschicht 11 angebracht, die beispielsweise aus Siliciumdioxid Si02 besteht. Die Steuerelektrode 17 weist mindestens eine schräg zum Ranc nin abfallende Flanke 15 auf, die als Maske für die Ionenimplantation derart wirkt. dass die Steuerzone 6 des FET einen 3ereicW 7 erhält, der zur Oberfläche des Halbleiterkörpers schräg ansteigende Flanken hat. Damit lässt sich die Kanallänge des 7T genau einstellen. Die katodenseitige Zone 2 des Thyristors ist mit einer Katodenelektrode 9 versehen, die an einer von der Zone 3 des FET entfernten Stelle einen Nebenschluss 10 mit der Zone L bildet. Die Zone 3 des FET kann mit einem tiesen- schluss 19 zur Zone 4 versehen sein. Für die Funktion des Bauelements ist dieser jedoch nicht unbedingt erfor- üblich. Zur Erläuterung der Funktion des 3auelements wird von der eingezeichneten Polarität der am Thyristor liegenden Spannung ausgegangen. Liegt an der Steuerelektrode 17 keine Spannung, so ist der pn-Übergang 14 in Sperrich- tung vorgespannt und der Thyristor ist gesperrt. Wird an die Steuerelektrode 17 positives Potential angelegt, sc bildet sich an der Oberfläche des Halbleiterkörpers in der Steuerzone 6 des FET ein n-leitender Kanal 8 aus, durch den die Zone 3 mit der Innenzone 1 verbunden wird. Damit wird der in Sperrichtung vorgespannte pn-Ubergang 14 überbrückt. Es fliessen dann negative Ladungsträger von der Katode durch die Zone 4 in die Zone 3 und durch den Kanal 8 in die Innenzone 1. Damit wird der pn-Über- gang 13 in Durchlassrichtung vorgespannt und die Zone 2 zur Injektion von negativen Ladungsträgern in die Zone L & veranlasst. Diese gelangen durch Diffusion zum pn-Uber- gang 14. Gleichzeitig mit dem Fluss von negativen La- dungsträgern durch den Kanal S in die Zone 1 wird der pn-Übergang 16 in Flussrichtung vorgespannt und zur n- jektion von positiven Ladungsträgern in die Zone 1 gebracht. Diese diffundieren zum In Sperrichtung vor e- spannten pn-übergang 14. Der pn-Ubergang 14 wird dann durch Überschwemmen von Ladungsträgern beider Polarität in Durchlassrlchtung vorgespannt und der Thyristor zündet. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Flg. 2 lediglich dadurch, dass hier die anc- denseitige Zone 5 des Thyristors seitlich neben der Ka- tode an der Oberfläche des Halbeiterkörpers angeordnet ist. im übrigen sind dem Auführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Funktion gleiche Teile mit gleichen 3ezugszelchen versehen. Der beschriebene Thyristor kann wie folgt dimensioniert seIn: Dicke der Zonen 2, 3 ca. 0,1 bis 0,2 m, Dotierung 1018 bis 1020 cm-3; Dicke der Mittelzone 1: ca. 10 bis 100 m, Dotierung 5. 1013 bis 5. 1015 cm-3; Randdo tierung der Zone 4: 1016 bis 1017, Dicke ca. 0,5 bis 5 m; Dicke der Zone 6: 0,3 bis 1 m, Implantation Dosis 2 bis 5 . 101 cm Energie 150 bis 200 keV; Dicke der Steuerelektrode 17: 0,4 bis 1 /um; Kanallänge ca. 0,5 /um, laterale Ausdehnung der Anordnung ca. 100 /um. Mit einem solchen Thyristor konnte eine Spannung bis 200 V und eine Stromstärke von 1 A erzielt werden. Die inschaltzeit des Thyristors lag dabei etwa bei 50 ns. Zur Erhöhung der Belastbarkeit können, wie aus der Tech- nik der integrierten Halbleiterschaltkreise bekannt, eine Vielzahl der beschriebenen, aus einem Thyristor und einem FET bestehenden Strukturen auf eInem Chip an. geora- ne und parallelgeschaltet werden Die beschriebene Form der Steuerzone 6 ist für die Funktion des thyristors nicht notwendig. Es kann auch eine ebene, unter die Steuerelektrode reichende Steuerzone verwendet werden, wie sie zum Beispiel in der DE-OS 26 11 338 beschrieben ist. 7 Patentansprüche 3 FIguren

Claims: Patentansprüche 1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier anein andergrenzenden Zonen abwechselnden Leitungstyps, zwi schein denen je ein pn-übergang liegt, mit einer die äu ssere katodenseitige Zone kontaktierenden Katodenelektrode, mit einem Nebenschluss zwiscnen dieser Zone und der angrenzenden inneren katodenseitigen Zone, mit eimer anodenseitigen Zone, und einer zwischen dieser Zone und der inneren Zone liegenden Mittelzone, die im Vergle zu den anderen Zonen schwach dotiert ist, und mit einer Steuerelektrode, g e k e n n z e 1 c h r e t d u - c n, e einen in den Halbleiterkörper integrierten. den zwischen der Mittelzone (1) und der genannten angrenzenden katodenseitigen inneren Zone (#) liegenden pn-Übergang (14) überbrückendenden Feldeffekttrarsistor (FET). 2. Thyristor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e e n n z e i c h n e t , dass die Quelle des 7T durch eine vcm Nebenschluss (,0) entfernt angeordnete, Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Zone (3) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die äussere katodenseitige Zone (2) gebildet ist, dass die Senke des FET ein an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretendes Teil der Innenzone (1) ist und dass die Steuerzone (6) des FET durch ein sich bis zur Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckendes, zwischen Quelle und Senke liegendes Teil der Katodenseitigen inneren Zone (#) des Halbleiterkörpers gebildet ist. . Thyristor ach Anspruch ^ oder 2, d a d e e k e m n z e c n n n , dass die Steuer=one (6) des FET wenigstens In dem an die Oberfläche des Halblei- terkörpers tretenden Bereich dünner als die katodenseitige innere Zone (#) des Thyristors ist. 4. Thyristor nach Anspruch 3, d a du r c n g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein Teil (7) der Steuerzone (6) zur Oberfläche hin schräg ansteigend angeordnet ist. 5. Thyristor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuerelektrode (17) aus hochdotiertem polykristallinem Silicium besteht, sie wenigstens eine zu einem ihrer Ränder hin abgeschrägte Flanke (18) hat, und dass das genannze Teil (7) der Steuerzone (6) unter der abgeschrägten Flanke (18) parallel zu dieser verlaufend angeordnet ist. 6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 jis 5, Åa a durch gekennzeichnet, dass mindestens die äussere katodenseitige Zone (2) des Thyristors, die Quelle (3) sowie die Steuerzone (6) des FET durch Ionenimplantation hergestellt sind. 7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a durch gekennzeichnet, dass die Quelle (3) auf ihrer der Katodenelektrode (9) zugewand- ten Seite mit einem Nebenschluss (19) versehen ist.

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