LIGHT-ACTIVATED THYRISTOR

Abstract: A thyristor with simple and optimum decoupling of the optical triggering sensitivity from the triggering sensitivity due to interference currents is produced if, as decoupling means, a phototransistor is provided as switch in a connection between an auxiliary emitter to the base region near the main emitter in the semiconductor body which consists of at least four layer-type regions of alternating opposite conduction type each having a load current electrode in each of the two outer regions and a light-triggered auxiliary emitter in the base region forming a common surface with one outer region.

Description: LICHTZÜNDBARER THYRI STOR Die Erfindung betrifft einen lichtzündbaren Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der aus einer Folge von wenigstens vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps besteht, an jeder der beiden Aussenzonen mit einer Laststromelektrode, an der mit der einen Aussenzone als Hauptemitter eine gemeinsame Oberfläche bildenden Basiszone mit einem lichtzUndbaren Bereich als Hilfsemitter und an dem Hauptemitter mit Emitterkurzschlüssen versehen ist, und welcher Mittel zur Entkopplung der optischen ZUndempfindlichkeit von der Zundempfindlichkeit durch Störströme aufweist. LichtzUndbare Thyristoren erfordern wegen der im allgemeinen höheren Zundempfindlichkeit gegenüber solchen mit Ladungsträgerinjektion mittels Steuerstromzundung und insbesondere im Falle der Auslegung fUr eine ZUndempfindlichkeit bei niedriger Anregungsdichte einen erhöhten Schutz gegen ZUndvorgänge oder Störströnie, die durch unzulässige Sponnungsanstiegsgeschwindigkeit oder durch Ansteigen der Betriebstemperaturen entstehen können. Das heisst, es sind Massnahmen not wendig, welche die Störzündempfindlichkeit unabhängig von der optischen Zündempfindlichkeit verringern oder möglichst beseitigen. Aus der DE-OS 25 49 563 sind lichtzündbure Thyristoren be kannt bei welchen die gewünschte Störsicherheit gegen Durchzünden dadurch erreicht werden soll, dass ein sogenanntes Störpotential, das durch Störströme in der Steuerbasiszone unter dem lichtzündburen Emitter entsteht, durch eine Potentialerhöhung im Randbereich der Steuerbasiszone mittels einer ohmischen Verbindung zwischen Emitter- und Randbereich kompensiert wird. Zur Verbesserung der Störsicherheit bei solchen Anordnungen ist es weiter aus der DE-PS 27 39 187 bekannt, zusätzlich zu der ohmischen Verbindung, zwischen dem Zündbereich der Emitterzone und der Kathode ein eine nicht lineare Charakteristik aufweisendes Bauelement, vorzugsweise eine Halbleiterdiode, anzuordnen. Schliesslich sind in der DE-OS 29 45 335 lichtzündbare Thyristoren beschrieben, die an der Emitterschicht innerhalb eines lateralen, lichtzündbaren Bereichs gate-gesteuerte MIS Strukturen aufweisen, welche steuerbare Emitter-Kurzschlusspfade enthalten. Die Funktion derselben ist beim Bestrahlen der Lmitterzonü aufgehoben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Struktur eines lichtzndbaren Thyristors anzugeben, bei welcher die Entkoppelung der optischen Zündempfindlichkeit von der StörzUnd empfindlichkeit gegenüber bekannten Bauformen auf andere, technologisch einfachere Weise erreicht wird und optimiert ist. Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Thyristor der eingangs erwähnten Art in den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Anhand des Ausfuhrungsbeispiels in der Figur wird die Erfindung näher erläutert. Der im Querschnitt dargestellte Ausschnitt des Halbleiterkörpers zeigt eine Schichtenfolge mit einer hochohmigen, n-leitenden Mittelzone 1 und je einer, auf jeder Seite der Mittelzone angrenzenden, höherdotierten, p-leitenden Zone 2, 3. In die als Steuerbasiszone bezeichnete Zone 3 ist als die eine Aussenzone die hochdotierte, n-leitende Emitterzone 4 als Hauptemitter eingelassen angeordnet. Steuerbasiszone 3 und Hauptemitter 4 bilden somit eine gemeinsame Oberfläche. Die andere Aussenzone, nämlich die Zone 2, ist nur teilweise dargestellt. Die Emitterzone 4 weist zum Durchgriff der Steuerbasiszone 3 Durchbrüche 14 auf, die durch entsprechende Kontaktierung der Kathodenelektrode 5 Emitterkurzschlüsse bilden. In einem z.B. zentral angeordneten Abschnitt der Oberfläche der Steuerbasiszone 3 ist eine Vertiefung 6 angebracht, an deren Bodenfläche ein hochdotierter, n-leitender, lichtzündbarer Emitterbereich 7 als Hilfsemitter des Hilfsthyristors H ausgebildet ist, der die Funktion der Steuerzone erfüllt. Eine solche Struktur ist allgemein zur Verbesserung der ZUndempfindlichkeit von Thyristoren bekannt. Erfindungsgemäss ist nun zwischen lichtzündburem Emitterbereich 7 und Emitterzone 4, d.h., zwischen Hilfsemitter 7 und Hauptemitter 4 des Thyristors T, möglichst nahe an dem letzteren, eine ohmische Verbindung mit einem Schalter 8 angeordnet, durch welchen ein Strompfad mit niedrigem ohmischen Widerstand für den durch Lichteinstrahlung zu bewirkenden ZUndvorgang gebildet ist. Generell sind Schalter unterschiedlichen Prinzips verwendbar. Jedoch ist ein Schliessen des Schalters 8 synchron mit dem Beginn der Lichteinwirkung bzw. mit dem Durchzünden des dem Hilfsemitter 7 zugeordneten Volumenabschnitts der Thyristorstruktur vorteilhaft, und daher ist Halbleiterschaltern aufgrund ihrer kurzen Schaltzeiten der Vorzug zu geben. Mit Phototransistoren wurden günstige Ergebnisse erzielt. Dabei ist der Kollektor des Phototransistors 8 über den ohmischen Kontakt 9 mit dem Hilfsemitter 7 und der Emitter des Phototransistors über den ohmischen Kontakt 10 mit der Steuerbasiszone 3 verbunden. Der Abstand zwischen Hilfsemitter 7 und Hauptemitter 4 ist so bemessen, dass der dadurch bestimmte Strompfad innerhalb der Steuerbasiszone 3 beim Zünden durch Bestrahlen einen höheren Widerstand aufweist als der Strompfad über den Schalter 8. Vorteilhafte Ergebnisse wurden mit Strukturen erzielt, bei denen der Abstand 2 bis 4 mm beträgt. Die Verwendung eines Phototransistors hut zusätzlich noch den Vorteil des Verstärkereffekts für den Zündstrom zum Hauptemitter 4. Zum Betrahlen des Hilfsemitters 7 und des Schalters 8 können lichtemittierende Halbleiterbauelemente vorgesehen sein. Für gleichzeitige Lichteinwirkung sind zum Beispiel lichtemittierende Dioden in Reihe geschaltet. Gemäss der Darstellung in der Figur ist der Hilfsemitter 7 in einer Vertiefung 6 der Steuerbasiszone 3 angebracht. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass niedriger dotierte Siliziumschichten für Licht des in Betracht kommenden Wellenlängenbereiches besser durchlässig sind als höher dotierte Schichten. Das versenkte Anordnen des lichtzUndbaren Bereichs ermöglicht bei lichtzundbaren Thyristoren besonders vorteilhaft eine Auslegung für niedrige Anregungsdichte. Ist bei dieser Struktur nach der Erfindung der Schalter 8 geschlossen, so wird der lichtaktive Bereich 7, d.h. der Hilfsemitter, mit dem Potential der freien Halbleiteroberfläche in unmittelbarer Nähe der Kathode, somit praktisch mit dem Kathodenpotential beaufschlagt. Dadurch liegt an der kurzen Strecke zwischen Hilfsemitter 7 und pn-Übergang J1 die gleiche Potentialdifferenz wie zwischen Hauptemitter 4 und pn-tibergang J1 Die Tiefe der Anordnung des Hilfsemitters 7 ist aber auch durch die Forderung nach Gewährleistung der vorgesehenen Blockierspannung bestimmt. Nachdem die Raumladungszone, über welcher die Blockierspannung abfällt, sich in der Steuerbasiszone 3 aus physikalischen GrUnden nur als schmaler Streifen ausbildet (Vergleiche unterbrochene Linie 23), kann der Hilfsemitter 7 sehr tief eingelassen sein. Infolge der sehr kurzen Wegstrecke der Photonen zur Raumladungszone ist damit die optische Zundempfindlichkeit optimiert und die Flächenausdehnung des Hilfsemitters 7 auf sehr kleine Werte reduzierbar. 2 Eine Fläche in der Grössenordnung von 1 mm hat sich als aus- reichend erwiesen. Mit einer solchen Ausgestaltung ist auch der Forderung nach möglichst geringem Störpotential im Bereich des Hilfsemitters 7 bei Auftreten von Störströmen Rechnung getragen. Das Halbleiterschaltelement kann auch monolitisch integriert im Halbleiterkörper angeordnet sein. Die Struktur nach der Erfindung zeigt eine perfekte Entkopplung der optischen Zundempfindlichkeit von der StörzUndempfindlichkeit. Bei Ansteuerung durch lichtemittierende Bauelemente zündet zunächst der Hilfsthyristor H. über den gleichzeitig mit dem Einleiten des Zundvorgangs geschlossenen Schalter 8, d.h., über den niederohmigen Strompfad der Optokopplung mit durchgeschaltetem Phototransistor, fliessen Ladungsträger zum Hauptemitter 4, welcher dadurch zur Emission angeregt wird. Ohne Lichteinwirkung ist der Phototransistor gesperrt. Störströme, z.B. aufgrund unzulässig steiler Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, fliessen aus der Steuerbasiszone 3 zwangshäufig über die EmitterkurzschlUsse 14 zur Kathode K ab.

Claims: Optically triggerable thyristor with a semiconductor body which consists of a series of at least four layer-shaped zones (1, 2, 3, 4) of alternating, complementary conduction type, is provided with a load current electrode on each of the two outside zones (2, 4), is provided with an optically triggerable area on the base zone (3), which forms a common surface with one of the outside zones that functions as the main emitter (4), said optically triggerable area functioning as an auxiliary emitter (7), and is provided with emitter short-circuit paths on the main emitter, said thyristor embodying means for decoupling the sensitivity to optical triggering from the sensitivity to being triggered by disturbing currents, characterized in that, as a decoupling means, a switch (8) is provided near the main emitter (4), in a connection between the auxiliary emitter (7) and the base zone (3), and in that this switch closes when the thyristor is activated by light. Thyristor according to Claim 1, characterized in that a semiconductor switching device is provided as the switch (8). Thyristor according to Claim 2, characterized in that a phototransistor is provided as the semiconductor switching device. Thyristor according to Claim 2, characterized in that the semiconductor switching device is provided in a manner such that it is monolithically integrated. Thyristor according to Claim 1 or any one of the following Claims, characterized in that the distance between the auxiliary emitter (7) and the main emitter (4) does not exceed 4 mm. Thyristor according to Claim 1, characterized in that the auxiliary emitter (7) is provided inside a recess (6) in the gate base zone (3), extending to within a short distance of the space charge region. Thyristor according to Claim 3, characterized in that light-emitting semiconductor devices are provided for activating the auxiliary emitter (7) and the phototransistor (8). Thyristor according to Claim 7, characterized in that light-emitting diodes are provided as light-emitting semiconductor devices, and are series-connected so as to ensure simultaneous activation of the auxiliary emitter and phototransistor.

Inventors: GRUBE, REINHARD, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., TURSKY, WERNER, DIPL.-ING. DR.
Applicants: SEMIKRON ELEKTRONIK GMBH
Application year: 1985
Main classification: H01L31
IPC codes: H01L31, H01L29