THYRISTOR HAVING A DISCONNECTIBLE EMITTER SHORT

Abstract: 1. A thyristor having a semiconductor body which contains an outer strip-shaped emitter layer of the first conductivity type provided with a strip-shaped electrode, an outer emitter layer of the second conductivity type provided with an electrode, and two base layers adjacent respectively to the emitter layers, having strip-shaped short-circuiting electrodes which are conductively connected to one another and which contact parts of the adjoining base layer and are located beside the emitter layer of the first conductivity type, and having a field effect transistor (FET) which electrically connects the short-circuiting electrodes to the electrode of the emitter layer of the first conductivity type, characterised in that the emitter layer of the first conductivity type is divided into a plurality of strip-shaped emitter zones (1a, 1d) ; that the strip-shaped emitter electrode is divided into a plurality of strip-shaped parts (10 to 13) which are electrically connected to one another ; that a strip-shaped short-circuiting electrode (6 to 9) is located between the strip-shaped emitter zones in each case ; that these short-circuiting electrodes are conductively connected to one another ; and that in the switched-on state, the forward resistance (RDS ON ) of the FET is such that the product of the thyristor current, on the one hand, and the sum of the bulk resistance beneath the strip-shaped emitter zones and the forward resistance RDS ON , on the other hand, is smaller than the voltage connected to the pn-junction between the emitter zones (1a to 1d) and the base layer (2).

Description: Thyristor mit einem abschaltbaren E=itter-Kurzschliiss Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem abschaltbaren Emitter-Kurzschluss nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf Verfahren zu seinem Betriebt Ein Thyristor dieser Art ist aus der US-PS 3 243 669 bekannt. Dabei besteht der steuerbare Emitter-Kurzschliiss aus einem mit der Kathode (Anode) verbundenen äusseren Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, einem mit einer Basisschicht verbundenen zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitfshigkeitstyps und einer zwischen diesen Gebieten liegenden Zwischenschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die letztere durch ein an der Grenzfläche des Thyristors angeordnetes, durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht von ihm getrenntes, mit einem Steueranschluss versehenes Gate überdeckt wird. Bei Einschaltung des Emitter-Kurzschlusses, was durch die Zuführung einer ersten Steuerspannung an den Steueranschluss geschieht, wird der Thyristor aus dem strom fu¯hrenden Zustand in den blockierten Zustand umgeschaltet, in dem trotz einer in Durchlassrichtung anliegenden Spannung praktisch kein Laststrom fliesst. Die Umschaltung aus dem blockierten Zustand in den stromführenden Zustand erfolgt durch das Anlegen einer zweiten Steuerspannung an das Gate einer weiteren, über ein isoliertes Gate gesteuerten Kurzschlussstruktur, die den PN-b#ergang zwischen den beiden innen liegenden Basis schichten des Thyristors niederohmig überbrückt. Die Kurzschluss- Strukturen bedingen allerdings einen relativ hohen Schaltungsaufwand. Ausserdem ist die Umschaltung mittels zweier Steuerspumungen, die zeitlich aufeinander abgestimmt werden müssen, mit Schwierigkeiten verbunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach aufgebaut ist und in einfacher Weise betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, dass die Abschaltung des EhTzistorsaus dem strom führenden Zustand in den blockierten Zustand und umgekehrt jeweils über dieselben, auf einer Grenzfläche des Thyristors angebrachten Kurzschlussstrukturen erfolgt. Die Unteransprüche sind auf bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sowie auf Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemässen Thyristors gerichtet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 den Querschnitt eines ersten Auführungsbeispiels, Fig. 2 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel im Schnitt und Fig. 4 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel. Der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Thyristor weist einen Halbleiterkörper mit Haibleiterschichten 1 bis 4 abwechselnder Leitfähigkeitstvpen auf, die beispielsweise aus dotiertem Silizium bestehen Dabei wird die aussen- liegende N-leitende Schicht 1, die aus Emitterzonen 1a bis 1d besteht, als N-Emitterschicht bezeichnet, die au ssenliegende P-leitende Schicht 4 als P-Emitterschicht. Die P-leitende Schicht 2 und die N-leitende Schicht 3 stellen die sogenannten Basisschichten dar. Die P-Emitterschicht 4 ist mit einer Anode 5 versehen, die einen Anodenanschluss A besitzt. Die Emitterzonen Ia bis 1d sind in Fig. 2 als vertikal verlaufende Streifen erkennbar, die parallel zueinander liegen und innerhalb einer ringförmigen Struktur 6 angeordnet sind. Diese ringförmige Struktur stellt den äusseren Teil einer Kurzschlusselektrode dar, der durch in Fig. 2 vertikal verlaufende Verbindungsstege 7 bis 9 ergänzt wird. Diese Stege stellen Kurzschlusselektroden dar, die jeweils neben den streifenförmigen N-Emitterzonen Ia bis 1d verlaufen. Aus Gründen der besseren uebersicht sind die Teile 6 bis 9 in Fig. 2 schraffiert dargestellt. Aus der Fig. 1, die einen Querschnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2 zeigt, ist entnehmbar, dass die streifenförmigen N-Emitterzonen la bis 1d jeweils mit Teilen 10 bis 13 einer Kathodenelektrode belegt sind, die untereinander leitend verbunden und an einen gemeinsamen Kathoden anschluss K geführt sind. Die Kurzschlusselektroden 7# bis 9 sind jeweils auf Teilen der Basisschicht 2 aufgebracht, die sich bis zur Grenzfläche F erstrecken. Die untereinander und mit dem Teil 6 leitend verbundenen Teile 7 bis 9 sind an den ersten Anschluss eines elektronischen Schalters 14 geführt, dessen zweiter Anschluss mit dem gemeinsamen Kathodenanschluss K in Verbindung steht. Liegt eine Steuerspannung U1 am Anschluss G, so ist der elektronische Schalter 14 geschlossen, wobei die PN-Übergange zwischen den Emitterzonen 1a bis 7d und der Basisschicht 2 über den Schalter 14 jeweils kurzgeschlossen sind. Damit befindet sich der Thyristor im blockierten Zustand, in dem trotz einer in Durchlass- richtung gepolten Spannung an den Anschlüssen A und K zwischen den letzteren praktisch kein Laststrom fliesst. Die thernisch generierten Defektelektronen werden aus der Basisschicht 2 zur Kathode abgeleitet, so dass aus den N-Emitterzonen 1a bis 1d Reine Ladungsträger in die Basisschicht 2 injiziert werden. Bei einer gleich mässigen Verteilung der Kurzschlusselektroden 7 bis 9 innerhalb des Ringes 6 ergibt sich eine gute Stabilität des Thyristors gegen ungewollte Zündvorgänge. Schaltet man nun zum Zeitpunkt t1 die Steuerspannung U1 von G ab, so öffnet der Schalter 14, wodurch die Emitter Kurzschlüsse unwirksam werden. Es erfolgt die Zündung des Thyristors. Danach fliesst ein Laststrom eines an A und K angeschlossenen Lastkreises über den niederohmig geschalteten Thyristor. Die Abschaltung desselben geschieht durch ein neuerliches Anlegen von U1 an G zum Zeitpunkt t2. Falls an A und K eine Wechselspannung liegt, so kann schon vor dem Anlegen von U1 ein Nulldurchgang auftreten, durch den ebenfalls eine Abschaltung erfolgt. Wird nach einer Weiterbildung der Erfindung eine Gleichspannungsquelle 15 in Serie zum Schalter 14 vorgesehen, die so gepolt ist, dass bei geschlossenem Schalter 14 die PN-übergänge zwischen 1a bis Id und 2 jeweils in Sperrichtung vorgesp4Fnt sind, slndS kann der Vorgang des Blockierens beschleunigt werden und im blockierten Zustand ein besseres Sperrverhalten erzielt werden. Zur Beschleunigung des Zündvorgangs ist es weiterhin zweckmässig, die Schaltung nach Fig. 1 so abzuändern, dass eine Kurzschlusselektrode, z. B. 8, von den übrigen getrennt wird, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist. Die abgetrennte Elektrode wird dann mit dem Anschluss Z eines Zündstromkreises ZI verbunden. Damit wirkt'#'#e Elektrode 8 als Zündelektrode. Gegebenenfalls kann auch die Elektrode 8 mit den Teilen 6, 7 und 9 verbunden bleiben, die dann ebenfalls als Zündelektroden wirken. Ein von Z1 abgegebener Zundimpuls Pl wird zum Zeitpunkt tl in die Basisschicht 2 eingespeist. Fig. 3 zeigt ein anderes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Es unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass die Teile 10 bis 13 nicht mehr mit dem Kathodenanschluss K verbunden sind, sondern Teile einer Hilsemitterelektrode bilden. Der äussere Ring 6 fehlt, wobei das linke Ende des Teiles 10 so weit über den linken Rand der N-Emitterzone 1 a verlängert ist, dass er den dort befindlichen PN-Ubergang zwischen 1 a und 2 überbrückt. Das gleiche gilt für den rechten Rand von 13, der den PN-übergang am rechten Rand von 1d überbrückt. Weiterhin sind in Fig. 3 Hauptemitterschichten 16 und 17 vorgesehen, die mit Teilen 18, 19 einer Kathode belegt sind. Die letzteren sind an einen gemeinsamen Kathodenanschluss K geführt. Die Hauptemitterschichten 16, 17 sind von Zonen der Basisschicht 2 durchdrungen, die sich bis zur Grenzfläche F erstrecken und in dieser mit den Teilen 18, 19 verbunden sind. Die Zonen 20 stellen feste Emitter-Kurzschlüsse dar, die im blockierten Zustand des Thyristors unerwünschte Zündvorgänge im Bereich der Hauptemitterschichten verhindern. Der elektrische Schalter 14 ist zweckmässigerweise so ausgebildet, dass er sich ohne Zuführung einer Steuerspannung an den Anschluss G im geschlossenen Zustand befindet. Bei geschlossenem Schalter 14 werden die PN-Ubergänge zwischen der Basis schicht 2 und den Hilfsemitterzonen 1a bis Id niederohmig überbrückt, so dass sich kein Bilfs- strom im Bereich der Kilsfemitterzonen aufbauen kann. Beim Zuführen eines Spannungsimpulses P1 an den Anschluss G öffnet der Schalter 14, die Uberbruckuagen werden be seitigt und es entsteht einEHilfsemitterstrom, der über die verlängerten Randzonen der Teile 10 und 13 zu den Hauttemitterzonen 18 und 19 hingelenkt wird und dort einen schnellen Zündvorgang veranlasst. Damit ist der Thyristor in den stromführenden Zustand umgeschaltet, in dem zwischen A und K ein Laststrom fliesst. Auch wenn nach der Rückflanke Pl der Schalter 14 wieder schliesst und der Rilfsemitterstrom unterbrochen wird, bleibt der über die N-Hauptemitterschichten fliessende Laststrom bestehen. Der Thyristor wird erst dann wieder in den blockierten Zustand umgeschaltet, wenn die Spannung der Anoden-Kathoden-Strecke abgeschaltet wird oder, wenn es sich um eine Wechselspannung handelt, durch den nächstfolgenden Nulldurchgang derselben. Die anhand von Fig. 1 behandelte Verbesserung der Stabilität durch Anschluss einer Spannungsquelle 15, die die PN-Woergänge zwischen den Zonen la bis ld und der Schicht 2 in Sperrrichtung vorspannt, ist auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 von Bedeutung. Weiterhin lässt sich auch hier durch die bereits beschriebene Anschaltung eines Zündstromkreises Z1 eine Beschleunigung des Zündvorgangs erreichen. Dabei kann G mit dem Anschluss Z des Zündstromkreises Z1 verbunden werden. In diesem Fall wird der beim Einspeisen des Zündstroms in die Basisschicht 2 an Z abgreifbare Zünd- spannungsimpuls als Impuls P1 verwendet. Ein günstiges Ausführungsbeispiel für einen abschaltbaren Thyristor ist in Fig. 4 dargestellt. Der elektronische Schalter ist hier ein Feldeffekttransistor 21, dessen Drain-Sourcestrecke unmittelbar, d. h. ohne Einschaltung einer Spannungsquelle (15 in Fig. 1 und 3), zwischen den Elektroden 6 bis 9 und den Teilen 10 bis 13 der Kathodenelektrode liegt. Der Thyristor wird vorzugsweise bei gesperrtem FET 21 durch einen in die Elektroden 6 bis 9 eingespeisten kleinen Strom leitend gesteuert. Soll der Thyristor gelöscht werden, wird an den Eingang des FET eine Spannung angelegt. Dieser wird dadurch leitend und verbindet die Elektroden 6 bis 9 mit den Elektroden 10 bis 13. Ein Teil des Thyristorstroms fliesst nun über den FET zum Kathodenanschluss K. Dieser Teil ist um so grösser, je kleiner der Widerstand des FET im eingeschalteten Zu stand (S 0N) bei sonst gleichbleibender Dimensionie- rung des Thyristors ist. Zum Ausschalten muss das Produkt aus Thyristorstrom und der Summe aus Bahnwiderstand unter den Emittern und dem Widerstand RDS ON kleiner als die am pn-übergang zwischen Emitter und Basisschicht liegende Spannung sein. Dann hört die Emitteremission auf. Macht man die Emitter sehr schmal und hält ihre Abstände klein, z. B. jeweils 1 mm oder weniger, so ist bei üblichen Dotierungen unter den Emittern von z. B. 1 . 16 bis 8 . 1017 Atome cm 3 der Bahnwiderstand gegen über dem RDS ON klein. Ein RDS ON von weniger als 0,1 reicht damit aus, einen Abschaltstrom von 2 bis 3 A zu erzielen. Für höhere Abschaltströme muss RDS ON noch kleiner werden. Dies kann z. B. durch spezielle niedrigsperrende Leistungs-FET mit einem VDS von z. B. 50 V oder weniger erreicht werden, da der RDS ON mit sinkender maximaler Sperrspannung überquadratisch abfällt. Mit wachsender Fläche des FET lässt sich der Widerstand noch weiter verringern. 4 Figuren 10 Patentansprüche

Claims: Patentanspriiche 1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der eine aussenliegende, mit einer ersten Elektrode versehene N-Emitterschicht, eine aussenliegende, mit einer zweiten Elektrode versehene P-Emitterschicht und zwei an diese jeweils angrenzende Basisschichten enthält, und mit einem an einer Grenzfläche des Halbleiterkörpers angeordneten, abschaltbaren Emitter-Kurzschluss, der den PN-Ub#ergang zwischen einer der beiden smifiterschichten und der angrenzenden Basisschicht wahlweise niederohmig überbrückt, Xd a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die N-Emitterschicht (P-Emitterschicht) in eine Mehrzahl von streifenförmigen Emitterzonen (1a bis 1d) aufgeteilt ist, die jeweils mit untereinander leitend verbundenen Teilen (10 bis 13) der ersten (zweiten) Elektrode versehen sind, dass eine Mehrzahl von streifenförmigen, untereinander leitend verbundenen Kurzschlusselektroden (6 bis 9) vorgesehen sind, die neben den Emitterzonen (1a bis 1d) verlaufen und Teile der angrenzenden Basisschicht (2), die sich bis zur Grenzfläche (F) des Halbleiterkörpers erstrecken, innerhalb der letzteren kontaktieren, und dass die Kurzschlusselektroden (6 bis 9) über einen steuerbaren elektronischen Schalter (i4) mit den genannten Teilen (10 bis 13) der ersten (zweiten) Elektrode verbunden sind. 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 die erste (zweite) Elektrode aus einer Kathode (Anode) besteht. 3. 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 die erste (zweite) Elektrode aus einer Nilfsemitterelektrode besteht, dass die N-Emitterschicht (P-Emitterschicht) (1a bis 1d) eine HilEsemitterschicht darstellt und dass eine N-Haupt- emitterschicht (P-Hauptemitterschicht) (16, 17) vorgesehen ist, die von der die Hilfsemitterelektrode tragenden Grenzfläche (F) des Halbleiterkörpers ausgeht, und mit einer Kathode (Anode) (18, 19) versehen ist, und dass die N-Hauptemitterschicht (P-Hauptemitterschicht) von wenigstens einer weiteren Zone der angrenzenden Basisschicht durchdrungen ist, die sich bis zu der genannten Grenzfiäche (F) des Halbleiterkörpers erstreckt und in dieser mit der Kathode (Anode) (18, 19) verbunden ist. 4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Basisschicht oder eine Zone derselben mit einer Zündelektrode (8) versehen ist, die einen Anschluss ar einen Zündstromkreis (Z1) aufweist. 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 der elektronische Schalter (14) einen Steuereingang aufweist, der mit dem Zündstromkreis (Z1)verbunden ist. 6. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d 2 d u-r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der elektronische Schalter (14) aus einem Feldeffekttransistor besteht, der insbesondere in den Halbleiterkörper des Thyristors integriert ist. 7. Thyristor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Source-Drainstrecke des Feldeffekttransistors (21) unmittelbar zwischen den mit den Emitterzonen (la bis Id) verbundenen Elektroden (10 bis 13) und den mit der Basisschicht (2) verbundenen Kurzschlusselektroden (6 bis 9) liegt. 8. Thyristor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der FET (21) im eingeschalteten Zustand einen Durchlasswiderstand (RDS ON) von < 0,1 Sihat. 9. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors 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 der elektronische Schalter (14) einen Steuereingang aufweist, dem während der Dauer des stromführenden Zustands oder des blockierten Zustands eine Steuerspannung zugeführt wird. 10. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der elektronische Schalter einen Steuereingang aufweist, dem ein die Umschaltung des Thyristors aus dem blockierten Zustand in den stromführenden Zustand veranlassender Spannungsimpuls (P1) zugeführt wird.

Inventors: PATALONG, HUBERT, DR. DIPL.-PHYS., PLATZODER, KARL, DR. RER. NAT., Platzöder, Karl, Dr. rer. nat.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1981
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29