PROCESS FOR THE OPERATION OF A THYRISTOR HAVING CONTROLLABLE EMITTER SHORTINGS

Abstract: 1. A method of operating a thyristor comprising a semiconductor body which includes an n-doped emitter (1a, 1b) contacted by a cathode (5a, 5b) and adjoined by a p-doped base layer (2), and a p-doped emitter (4) contacted by an anode (6) and adjoined by an n-doped base layer (3), and having controllable emitter short-circuits (M1 to M4) which consist of MIS-structures arranged at a boundary surface (7) of the semiconductor body, in each case consisting of a first semiconductor zone of a first conductivity type electrically-connected to the cathode (K) or anode which contacts the first emitter (1a, 1b), a second semiconductor zone of the first conductivity type electrically-connected to the base layer (2) which adjoins this emitter (1a, 1b), and a semiconductor zone of a second conductivity type located between the aforesaid semiconductor zones and covered by a gate (14) which is electrically-insulated from the semiconductor body, where the last-mentioned emitter (1a, 1b) is divided into a plurality of emitter zones, where a plurality of MIS-structures (M1 to M4) are each arranged laterally to the emitter zones (1a, 1b), and the gates (14, 15, 26, 27) can be connected via a control terminal (G) to receive a voltage pulse which cancels the emitter short-circuits, where the first semiconductor zone of a MIS-structure (M1) consists of an edge region of an emitter zone (1a), where the second semiconductor zone is formed by a short-circuit zone (8) which is formed in the base layer (2) which adjoins this emitter zone (1a) and connected via a conductive coating (16) to this base layer (2), and where the semiconductor zone covered by the gate (14) consists of a sub-zone (10) of the last-mentioned base layer (2) which extends to the boundary surface (7) of the semiconductor body which contains the emitter zone (1a), where the control terminal (G) of the MIS-structures (M1, M2) which are arranged laterally to the emitter zones (1a, 1b) are supplied with a voltage pulse (P1) which cancels the emitter short-circuits during the ignition process, and where this voltage pulse is supplied as a negative pulse in the event that the aforesaid first emitter is an n-doped emitter, and is supplied as a positive pulse in the event that the aforesaid first emitter is a p-doped emitter.

Description: Thyristor mit steuerbaren Emitterkurzschlüssen und Kurzschlussgebieten sowie Verfahren zu seinem Betrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor nach dem Hauptpatent sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb. Der Thyristor nach dem Hauptpatent DBP (P 29 45 366.5) weist steuerbare Emitterkurzschlüsse auf, die im blockierten Zustand des Thyristors bzw. vor dem Zünden desselben als Stabilisierungskurzschlüsse wirken. Dabei verhindern sie unbeabsichtigte Zündvorgänge, die beispielsweise beim Ansteigen von zwischen Anode und Kathode liegenden Blockierspannungen auf höhere Werte oder bei einem schnellen Anstieg dieser Blockierspannungen auftreten können. Während des Zündvorgangs werden die Emitterkurzschlüsse durch einen dem Steuerspannungsanschluss der MIS-Strukturen zugeführten Spannungsimpuls unwirksam geschaltet, d.h. aufgehoben, um die Zündempfindlichkeit des Thyristors wesentlich zu erhöhen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und leicht herzustellende Ausführungsform eines Thyristors nach dem Hauptpatent anzugeben. Das wird durch eine Ausbildung desselben nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht. Der hiermit erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Herstellung der für die steuerbaren Emitterkurzschlüsse erforderlichen#Kurzschlussgebiete im Rahmen derjenigen Dotierungsschritte erfolgt, die bereits zur Herstellung der einzelnen Halbleitergebiete bzw. -schichten des Thyristors benötigt werden, so dass der Mehraufwand für die Emitterkurzschlüsse sehr klein gehalten werden kann. Aus der US-PS 3 243 669, vergl. insb. Figur 9, und dem DBP 26 25 917 sind Thyristoren mit steuerbaren Emitterkurzschlüssen bekannt, die lediglich zum Zwecke eines schnellen Löschens der Thyristoren wirksam geschaltet werden. Zu den hieraus bekannten, steuerbaren Emitterkurzschlüssen gehören jeweils ein erstes Halbleitergebiet eines ersten Leitungstyps, das aus einem Randbereich des n(p)-Emitters besteht, ferner ein zweites Halbleitergebiet desselben Leitungstyps, das im Abstand vom Emitter in die an diesen angrenzende Basisschicht eingefügt ist, und der zwischen diesen Haibleitergebieten liegende, einen zweiten Leitungstyp aufweisende Teilbereich der Basisschicht, der von einem isolierten Gate überdeckt ist. Aus dem DBP 26 25 917 ist es auch bekannt, diese Emitterkurzschlüsse während des Auftretens eines Zündimpulses wirksam zu schalten, um eine Zündung zu verhindern. Steuerbare Emitterkurzschlüsse, die vor dem Zünden des Thyristors als Stabilisierungskurzschlüsse dienen und insbesondere unabhängig vom Auftreten einer Blockierspannung wirksam geschaltet sind, während sie beim Zündvorgang unwirksam geschaltet sind, lassen sich jedoch hieraus nicht entnehmen. Die Ansprüche 2 und 3 betreffen Weiterbildungen des Thyristors nach der Erfindung, während die Ansprüche 4 und 5 auf Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemässen Thyristors gerichtet sind. Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung von Fig. 1, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung von Fig. 3. Der Thyristor nach Fig. 1 besteht aus einem Körper aus dotiertem Halbleitermaterial, z.B. Silizium, der mehrere aufeinanderfolgende Schichten abwechselnder Leitungstypen aufweist. Mit la und 1b sind zwei n-Emittergebiete bezeichnet, die Teile eines n-Emitters darstellen. An diese grenzt eine p-Basisschicht 2, unter der sich eine n Basisschicht 3 und ein ebenfalls schichtförmiger p-Emitter 4 befinden. Die n-Emittergebiete 1a und 1b werden von Teilen 5a und 5b einer aus elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, bestehenden Kathode kontaktiert, die mit einem gemeinsamen Anschluss K verbunden sind, während der p-Emitter 4 von einer aus elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, bestehenden Anode 6 kontaktiert wird, die einen Anschluss A aufweist. Die n-Emittergebiete 1a, 1b sind so in die p-Basisschicht 2 eingefügt, dass sie sich bis zur Grenzfläche 7 des Halbleiterkörpers erstrecken. Randseitig zu dem n-Emittergebiet 1a sind n-leitende Kurzschlussgebiete 8 und 9 derart in die p-Basisschicht 2 eingefügt, dass sie sich ebenfalls bis zur Grenzfläche 7 erstrecken. Dabei können die Gebiete 1a, Ib, 8 und 9 mit besonderem Vorteil durch ein- und denselben Dotierungsschritt hergestellt werden. Die Teilbereiche 10 und 11 der p-Basisschicht 2, die mit ihrer Breite den Abstand der Gebiete 8 und 9 von dem n-Emittergebiet 1a bestimmen, sind von dünnen elektrisch isolierenden Schichten 12 und 13 überdeckt, auf denen Gates 14 und 15 angeordnet sind. Diese bestehen aus elektrisch leitendem Material, z.B. aus hochdotiertem polykristallinen Silizium, und sind mit einem gemeinsamen Steueranschluss G verbunden.. Leitende Belegungen 16, 17 überbrücken die pn-übergänge zwischen der p-Basisschicht 2 und den Kurzschlussgebieten 8 und 9 an den von den Teilbereichen 10 und 11 abgewandten Rändern der letzteren. Der linke Randbereich des n-Emitter gebiets 1a stellt ein erstes und das Kurzschlussgebiet 8 ein zweites n-leitendes Halbleitergebiet einer MIS-Struk tur Ml dar, zu der auch de-r p-leitende Teilbereich 10 mit einen n-leitenden Kanal 18 an der Grenzfläche 7, die isolierende Schicht 12 und das Gate 14 gehören. In analoger Weise stellt der rechte Randbereich von la zusammen mit den Teilen 9, 11, 13 und 15 eine MIS-Struktur M2 dar, deren mit 19 bezeichneter n-Kanal im Teilbereich 11 an der Grenzfläche 7 verläuft. Die n-Kanäle 18 und 19 sind bei spannungslosem Steueranschluss G vorhanden, was durch eine Ausbildung der Strukturen.M1 und M2 als solche des Verarmungstyps erreicht wird. Bei den n-Kanälen 18, 19 handelt es sich entweder um Inversionskanäle, die durch ein an der Grenzfläche 7 bestehendes, die Teilbereiche 10 und 11 beeinflussendes elektrisches Feld aufgebaut worden sind, oder um dotierte Kanalgebiete, die durch eine flache n-Dotierung unmittelbar an der Grenzfläche 7 erzeugt sind. Führt man dem Steueranschluss G eine hinreichend grosse negative Spannung zu, so werden die Kanäle 18, 19 Jeweils beseitigt bzw. hochohmig geschaltet. Die Struktur M1 bildet somit einen Schalter, der in einem ersten Schaltzustand (spannungsloser Steueranschluss G) das n-Emittergebiet 1a mit den Kurzschlussgebieten 8, 9 und weiterhin über die Belegungen 16, 17 auch mit der p Basisschicht 2 niederohmig verbindet. In einem zweiten Schaltzustand (negative Spannung an G) wird diese niederohmige Verbindung dann unterbrochen bzw. hochohmig geschaltet. Somit stellt die Struktur M1 einschliesslich der leitenden Belegung 16 einen ersten und die Struktur M2 einschliesslich der leitenden Belegung 17 einen zweiten steuerbaren Emitterkurzschluss des Thyristors dar. Randseitig zu dem n-Emittergebiet 1b sind in analoger Weise weitere Kurzschlussgebiete 22 und 23 vorgesehen, die zusammen mit elektrisch isolierenden Schichten 24, 25, Gates 26, 27 und den Randbereichen von 1b gleichartig aufgebaute MIS-Strukturen M3 und M4 bilden. Die Gates 26 und 27 sind ebenfalls mit dem Steueranschluss G verbunden. Die leitende Belegung 17 ist in Fig. 1 soweit nach rechts verlängert, dass sie auch den pn-übergang zwischen dem Kurzschlussgebiet 22 und der p-Basisschicht 2 kurzschliesst, während eine leitende Belegung 30 den pn-übergang zwischen den Teilen 23 und 2 niederohmig überbrückt. Dabei stellt die Struktur M3 zusammen mit der Belegung 17 einen dritten und die StrukturM4 zusammen mit der Belegung 30 einen vierten steuer- baren Emitterkurzschluss dar. Die leitende Belegung 17 ist in Fig. 1 mit einem Anschluss Z eines Zündstromkreises verbunden. Im Betrieb ist der SteueranschluR,G des Thyristors nach Fig. 1 jeweils vor dem Zündzeitpunkt. von Spannungen freigeschaltet. Dabei sind die n-Emittergebiete 1a und 1b über, die steuerbaren Emitterkurzschlüsse Ml, 16; M2, 17; M3, 17 und M4, 30 mit der p-Basisschicht 2 jeweils nie derohmig verbunden. Hierdurch wird eine Stabilität des Thyristors gegenüber unbeabsichtigten Zündvorgängen gewährleistet. Die steuerbaren Emitterkurzschlüsse werden daher als Stabilisierungskurzschlüsse bezeichnet. Die Stabilität kann noch erhöht werden, wenn eine Vielzahl von n-Emittergebieten 1a, 1b ... mit einer Vielzahl von MIS-Strukturen Ml, M2, M3, M4 ... versehen wer den, die sich über die Grenzfläche 7 des Thyristors möglichst gleichmässig verteilen. Zum Zünden des Thyristors wird dem Anschluss Z ein Zündstromimpuls 1Z zugeführt. Gleichzeitig wird der Steueranschluss G für die Dauer des Zündvorgangs mit einem negativen Spannungsimpuls Pl beaufschlagt, der die n-Kanäle 18, 19 usw. jeweils unterbricht und damit die Stabilisierungskurzschlüsse während des gesamten Zündvorgangs unwirksam schaltet. Damit wird die Zündempfindlichkeit des Thyristors wesentlich erhöht. Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung UG, die dem Steueranschluss G im Betrieb zugeführt wird. Wie hieraus hervorgeht, bleibt G spannungslos bis auf ein Zeitintervall tl bis t2, in dem der Zündvorgang abläuft. In diesem Zeitintervall liegt ein Spannungsimpuls P1 vonZ¯B¯ -5V an G. Nach erfolgter Zündung fliesst ein Laststrom eines bei A und K angeschlossenen Laststromkreises über den niederohmig geschalteten Thyristor. Die Abschaltung des letzteren wird durch eine Abschaltung der zwischen A und K anliegenden Spannung oder bei einer anliegenden Wechselspannung durch den nächstfolgenden Nulldurchgang derselben erreicht. Der negative Spannungsimpuls P1 kann mit Vorteil über eine Polaritätsumkehrschaltung 31 aus der Zündspannung abgeleitet werden, die bei Zuführung von 1Z am Anschluss Z auftritt. Die Polaritätsumkehrschaltung 31 besteht z.B. aus einem invertierenden Verstärker 32, dessen Eingang mit Z und dessen Ausgang mit G beschaltet ist. Beim Auftreten eines positiven Steuerstromimpulses 1Z ist dann am Ausgang von 32 der negative Spannungsimpuls Pl abgreifbar. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im Unterschied zu Fig. 1 die MIS-Strukturen M1 bis M4 als solche des Anreicherungstyps ausge bildet sind. Hierbei wird dem Steueranschluss G vor dem Zündzeitpunkt, d.h. also im blockierten Zustand des Thyristors, eine positive Spannung UGI zugeführt, um nleitende Inversionskanäle 33 bis 36 unterhalb der Gates 14, 15, 26 und 27 zu erzeugen und die Stabilisierungskurzschlüsse somit wirksam zu schalten. Lediglich während des Zündvorgangs, d.h. im Zeitintervall tl bis t2lwird die Spannung UGI unterbrochen. Die Unterbrechung von U C im Zeitintervall t1 bis t2 kann als ein negativer Spannungsimpuls aufgefasst werden, der sich dem ausserhalb dieses Zeitintervalls bestehenden Pegel von UG überlagert. Der zeitliche Verlauf der Spannung Um' ist in Fig. 4 dargestellt. Die Spannung Um' kann mit Vorteil aus der Zündspannung abgeleitet werden, die am Anschluss Z auftritt. Hierzu dient eine Polaritätsumkehrschaltung 37, die auch eine Pegelverschiebung bewirkt. Sie besteht beispielsweise aus einem Differenzverstärker 38, dessen positiver Eingang mit einer Spannung +U beschaltet ist, die der Amplitude der an Z auftretenden Zündspannung entspricht. Der negative Eingang von 38 liegt an Z, während der Ausgang von 38 mit dem Steueranschluss G verbunden ist. Hierbei liegt am Ausgang des Differenzverstärkers eine positive Spannung, die nur während des Auftretens eines Zündstromimpulses IZ unterbrochen wird. Die n-Emittergebiete 1a, Ib ... können beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein und über die Grenzfläche 7 geradlinig verlaufen, wobei ihre längeren Abmessungen senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 bzw. Fig. 3 liegen. Andererseits können die n-Emittergebiete auch kreisringförmig ausgebildet sein, wobei sich ein rotationssymmetrischer Aufbau des Thyristors um die Achse S ergibt. Die in Fig.1 und Fig. 3 eingezeichneten Verbindungen der Teile 5a und 5b sowie der Gates 15 und 26 entfallen hierbei. Anstelle des n-Emitters kann auch'der p-Emitter in einzelne p-Emittergebiete aufgeteilt sein, die von einzelnen, untereinander leitend verbundenen Teilen der Anode kontaktiert werden. Hierbei sind dann steuerbare p-Emitterkurzschlüsse vorhanden. Die Figuren können zur Darstellung dieser Variante herangezogen werden, wenn die Bezeichnungen der Anschlüsse A und K miteinander vertauscht werden, die dargestellten Halbleitergebiete die jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeiten zu den bisher beschriebenen aufweisen und die Spannungen bzw. Spannungsimpulse mit jeweils entgegengesetzten Polaritäten zugeführt werden. Schliesslich kann auch eine eigene Zündelektrode auf einem Teil der p-Basisschicht vorgesehen sein und anstelle der Belegung 17 mit dem Anschluss Z des Zündstromkreises verbunden werden.. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine der leitenden Belegungen 16 oder 30 als Zündelektrode zu verwenden. Die Eindringtiefe der n-Emittergebiete 1a und 1b sowie der Kurzschlussgebiete 8, 9, 22 und 23 in die p-Basisschicht 2 kann beispielsweise 3#um betragen. Hierbei kommen dann für die Abstände der Kurzschlussgebiete 8, 9 von dem zugeordneten n-Emittergebiet 1a z.B. jeweils 5 pm in Betracht. Die lateralen Abmessungen der Kurzschlussgebiete 8, 9 usw. in der Bildebene von Fig. 1 können z.B. jeweils 101um betragen. Der Halbleiterkörper des Thyristors nach den Figuren 1 oder 3 weist die Form einer dünnen, insbesondere runden Scheibe mit einer Dicke von z.B. 200/um bis 1 mm auf. 5 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der einen von einer Kathode kontaktierten n-Emitter mit einer angrenzenden p-Basisschicht und einen von einer Anode kontaktierten p-Emitter mit einer angrenzenden n-Basisschicht aufweist, und mit an einer Grenzfläche des Halbleiterkörpers angeordneten, als MIS-Strukturen ausgebildeten, steuerbaren Emitterkurzschlüssen, Jeweils bestehend aus einem mit der Kathode (Anode) verbundenen Halbleitergebiet eines ersten Leitungstyps, einem mit einer Basisschicht verbundenen zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitungstyps und einem zwischen diesen Halbleitergebieten liegenden Halbleiterbereich eines zweiten Leitungstyps, der von einem gegen über dem Halbleiterkörper elektrisch isolierten Gate überdeckt ist, wobei der n(p)-Emitter in eine Mehrzahl von n(p)-Emittergebieten aufgeteilt ist, eine Mehrzahl von MIS-Strukturen Jeweils randseitig zu den Emittergebieten angeordnet sind und die Gates über einen Steueranschluss mit einem die Emitterkurzschlüsse aufhebenden Spannungsimpuls beschaltbar sind, nach DBP (P 29 45 366.5) dadurch g e'k e n n z e i c h n e t , dass das erste Halbleitergebiet einer MIS-Struktur (M1) aus einem Randbereich eines n(p)-Emittergebietes (1a) besteht, dass das zweite Halbleitergebiet aus einem in die p(n)-Basisschicht (2) eingefügten n(p)-leitenden Kurzschlussgebiet (8) gebildet ist, das über eine leitende Belegung (16) mit der p(n)-Bas'isschicht (2) verbunden ist, und dass der von einem Gate (14) überdeckte Halbleiterbereich aus einem Teilbereich (10) der p(n)-Basisschicht (2) besteht. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine MIS-Struktur (M1) dem Verarmungstyp angehört und ein in ihren überdeckten Halbleiterbereich (10) eingefügtes Kanalgebiet (18) des ersten Leitungstyps aufweist. 3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die p(n)-Basisschicht (2) mit einer Zündelektrode (17) versehen ist, die einen Anschluss (Z) für einen Zündstromkreis aufweist, und dass der Anschluss (Z) für den Zündstromkreis über eine Polaritätsumkehrschaltung (31, 37) ggf. mit pegelverschiebender Funktion'mit dem Steueranschluss (G) der MIS-Strukturen (M1) verbunden ist. 4. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Steueranschluss (G) der randseitig zu den Emittergebieten (1a,1b) des n(p)-Emitters angeordneten MIS-Strukturen (M1, M2) ein die Emitterkurzschlüsse während des Zündvorgangs aufhebender negativer (positiver) Spannungsimpuls (P1) zugeführt wird. 5. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch 3, dadurch g e k e-n n z e i c h n e t , dass eine am Anschluss (Z) für den Zündstromkreis bei Zuführung eines Zündstromimpulses abfallende Zündspannung umgepolt und, ggf. nach vorheriger Pegelverschiebung, dem Steueranschluss (G) der MIS-Strukturen (M1, M2) als ein die Emitterkurzschlüsse aufhebender Spannungsimpuls (P1) zugeführt wird.

Inventors: STOISIEK, MICHAEL, DR.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1982
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29