NO763077L

NO763077L -

Info

Publication number: NO763077L
Application number: NO763077A
Authority: NO
Inventors: P De Bruyne; R Sittig
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1975-09-09
Filing date: 1976-09-08
Publication date: 1977-03-10
Also published as: SE7609773L; JPS5235574A; GB1558886A; CH589942A5; JPS6016104B2; SE416600B; DE2543909A1; FR2324125A1; FR2324125B1

Description

Elektrisk kobling med en hoyfrekvenstyristor.

Oppfinnelsen vedrorer en elektrisk kobling med en tyristor for koblingsfrekvenser på mere enn 10 kHz ved fremspenninger på mere enn 500 V, hvor tyristoren har en tannet "emitter-gate-struktur", en styresone i kontakt med porten og en lavere enn denne dopet basissone og hvor porten ved utkoblingen av tyristoren ligger på et elektrisk potensial hvis polaritet er motsatt til det for majoritetsbæreren i styresonen og hvor styresonen ikke har noe kortsluttende gjennombrudd til elektroden i kontakt med emittersonen og som kortslutter PN-overgangen til tilgrensende emittersonen.

Videre vedrorer oppfinnelsen en fremgangsmåte for drift av foran angitte kobling.

En kobling av den angitte art er kjent fra Int.J. Electronics 36 (1974)/S-399 - 416. Koblingskretser ved hvilke slike koblinger kan komme til anvendelse, er kjent fra Heumann, Stumpe "Thyristoren", Teubner-Verlag 1970, s. 131 - 133, eller Penkowski, Pruzinsky "Fundamentals of a pulse width modulated power circuit" Power Semiconductor Applications, IEEE Press 1972, s. 266 - 275 eller "Silicium Stromrichter Handbuch", Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden, Sveits,

1971, s. 197 - 201.

Tyristoren fra den fra Int.J. Electronics 3_6 (1974), s. 399 - 416 kjente kobling har restitusjonstider på mindre enn 2 psec, en tillatelig spenningssteilhet du/dt = 600V/psec, en frem-og tilbakespenning på 650 V og en koblingsfrekvens på 100 kHz.

Den lille restitusjonstid oppnåes vesentlig ved den beskrevne styring av porten: Det - i tilfelle av en P-styringssone - negative potensial på porten bevirker en aksellérert tomning av styrings- og basissonen fra ladningsbærerne i den utkoblende ledetilstand. Dette prinsipp er også kjent som "Gate-Assisted-Turn-Off " (GATO). Det bringer imidlertid den fare med seg at ved store diametre for halvlederbyggeelemen-ter som skal kobles ut, trenges strommen sammen på én kanal av mindre diameter og frembringer der overhetninger og beska-digelser. For å unngå dette er den fortannede emitter-gate-struktur anordnet ved hjelp av hvilken den negativt polte port hurtig kan innvirke på alle deler i P-styresonen. Dessuten hjelper en hby lederevne på P-styresonen. Den - i tilfelle av en P-styresone - "emitter-shorts" som kortslutter PN-overgangen på katodesiden, må i dette tilfelle ikke anvendes, da ellers den negativt polte port ville være virkningslos. Sna-rere må den nevnte PN-overgang ha en tilstrekkelig god sperre-evne, da denne begrenser det mulige negative potensial ved porten.

Den fortannede emitter-gate-struktur er ikke bare av nytte for utkoblingen, men også av stor betydning for innkoblingen'da ved dette fra porten utgående tenning tilstrekkelig raskt omfatter alle aktive deler for tyristoren. På den andre side ville man ha hatt utålelig hoye koblingstap og for små tillate-lige stromstigehastigheter.

Riktignok består i denne henseende store begrensninger, i at man for jevn tenning av den lange katodekant må ha hoye tenningsstrommer og smale katoderemsebredder. Når i lopet av 1 usec den totale katodeflate skal tennes, så ville tenningsstrommer av storrelsesorden av ledestrommer være nodvendig og katoderemsebredder på bare ca. 300 jum. Ved dette ville imidertid så meget aktiv flate gå tapt at en slik losning ikke synes egnet for praksis.

Den fra Int.J. Electronics 36 (1974), s. 399 - 416 kjente elektriske kobling er dog heller ikke egnet for hoyere spenninger, f.eks. over 1000 V, fordi den hoye spenning betinger en tykk og hoyohmig basissone for tyristoren. Én slik basissone for-hindrer imidlertid den tilstrekkelig hurtige tomming av led- ningsbæreren fra den utkoblende ledetilstand hvis ikke ved innbygningen av rekombinasjonssentre, f.eks. en gulldoping, . ville vesentlig redusere ladningsbærerens levetid. Slike rekombinasjonssentre bevirker imidlertid igjen et utillatelig hoyt ledespenningsfall.

Det er oppgaven for nærværende oppfinnelse å forbedre den kjente elektriske kobling slik at den ved minimale restitu-sj onstider og små innkoblingstap muliggjor hoyere fremspenninger og hoye verdier for tillatelig strom- og spennings-stigningshastighet.

Denne oppgave loses ved at ved den foran nevnte elektriske kobling ifolge oppfinnelsen basissonen for tyristoren består av to skikt av hvilke det til styresonen grensende skikt er lavere dopet enn det andre skikt.

Denne foranstaltning er i og for seg kjent fra IEE Conference Publiaction 123, London, 3. Des. 1974, s. 13 - 19. Den bevirker at ved uredusert fremspenning kan tykkelsen for basissonen reduseres vesentlig. Det hoyohmige skikt i basissonen tommes da allerede ved relativ små spenninger fullstendig for frie ledningsbærere, mens det lavohmige skikt unngår en ytterligere utvidelse av sperreskiktet og dermed en "puhch-Through" (sperreskikt-beroringsgjennombrudd). Styre- og basissonen danner således tilsammen tilnærmelsesvis en PIN-struktur i hvilken man i stedet for den trekantede får en firkantet feltfordeling.

Når direkte efter det hoyere dopede skikt i basissonen folger den hoydopede annen emitter-sone - ved N-dopet basissone altså anodeskiktet - så er den totale struktur særlig enkelt å frem-stille. Den kan dog i tilbakeretning bare sperre meget lave spenninger, f.eks. bare 25 V, hvilket imidlertid for koblingskretser er uten ulemper i praksis fordi tyristoren i tilbakesperreretning dessuten må være shuntet av en antiparallell diode, se de foran i forbindelse med kjente koblingskretser anforte litfceratursteder.

Den elektriske kobling ifolge oppfinnelsen muliggjor en sær-

lig fordelaktig driftsmetode som likeledes er gjenstand for oppfinnelsen og som forer med seg overraskende fordeler som ikke kunne forutsees.

Denne driftsmetode erkarakterisert vedat ved den elektriske kobling ifolge oppfinnelsen er det elektriske potensial for porten under fremsperretilstanden for tyristoren slik at PN-overgangen mellom styresonen og den tilgrensende emittersone er polet i sperreretning og for tenning av tyristoren settes det elektriske potensial for porten på 0 eller en verdi av motsatt polaritet.

Efter denne driftsmetode tennes således ikke,som vanlig hittil, tyristoren ved påtrykning av et elektrisk potensial på den ellers i det vesentlige noytrale port, men den ved åpen port-krets allerede ved lav spenning overhodetennbare tyristor hol-des sperret i fremtilstanden over porten og derpå ved åpning

av portkretsen eller ved å forandre potensialets pol ved por-

ten, bringes til tenning. På denne måte oppnåes ikke bare de ved den elektriske kobling ifolge oppfinnelsen iboende foran nevnte fordeler, men særlig også en ytterst hurtig tenning av tyristorens alle aktive deler. Fordi tenningen nu ikke mere utloses ved lateral strommende port-tenningsstrommer, men av den aksial strommende sperrestrom som oppstår ved oppbygning av sperresonen i basissonens skikt med hoyt ohm-tall. Den lette tennbarhet for tyristoren gir seg imidlertid også fra mangelen på emitter-shorts, som ellers med ulempe er fremmende for driftsmetoden ifolge oppfinnelsen.

Funksjonskvaliteten for driftsmetoden efter oppfinnelsen var

ikke på noen måte å forutse da den for tenningen anvendte sperrestrom er sterkt temperaturavhengig. Det ble dog funnet og vil vises nærmere i de efterfolgende eksempler, at denne temperaturavhengighet er uskadelig i praksis av den grunn fordi yenera-sjonsstrommen på PN-overgangen mellom styre- og den tilgrensende emittersone har stirt sett den samme temperaturavhengighet.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares i forbindelse med på tegningen gjengitte utforelseseksempler såvel som ved hjelp av dimensjoneringseksempler. På tegningen viser

fig. 1 en som belastet omretter for fremkallelse av hoyfrekvens utformet koblingskrets med koblinger ifolge oppfinnelsen,

fig. 2 spenninger og strommer i en koblingskrets ifolge fig. 1,

fig. 3 et snitt gjennom en tyristor av en kobling ifolge oppfinnelsen efter linjen s-s i fig. 4, med positiv avskråning av den fremsperrende PN-overgang,

fig. 4 et grunnriss på portsiden av en tyristor ifolge fig. 3,

fig. 5 et dopningsforlop for en tyristor med N-dopet basis-

sone og

fig. 6 dopningsforlopet for en tyristor med P-dopet basissone.

I fig. 1 vises en belastet omretter med seriesvingekretslast RLC, f.eks. en hoyfrekvens-induksjonsovn L med seriekapasitet

C, med tyristorkoblinger ifolge oppfinnelsen Th^, TT^, Th.,, Th 4 som er shuntet i tilbakesperreretning ved antiparallelle dioder D^, D^, D^. Det dreier seg f.eks. om en mellomkretsomret-ter hvor likespenningen innmates fra likestrom-mellomkretsen ved H.

Som i fig. 2 gjengitt, ligger ved hovedterminalene for hver tyristor Th-^- Th^alltid spenningen IL^. Ved portterminalen G ligger styrespenningen U^, hvis forlop i fig. 2 er gjen-

gitt for en tyristor med P-styresone og N-basis. UGer forst negativ og tyristoren dermed sperret. Når derpå til tidspunktet Z portspenningen U G f.eks. ved tyristoren i koblingen Th, og

Th^settes på 0 eller på en positiv verdi, tennes dette tyristor-par og strommen I R flyter gjennom Th^ og Th^, som til tidspunktet W endrer sitt fortegn. Denne må da fores gjennom de antiparallelle dioder D^og D^inntil tidspunktet T tyristor-paret for koblingen Th2og Th^ tennes og strommen overtar.

På dette tidspunkt stiger spenningen U av. ved tyristoren

lingen Th^og Th^igjen. For at denne spenning sperres, må

i tidsrommet W til T portene G i Th^og Th^igjen.settes på negativ potensial.

Ved lasten L gir seg på denne måte den rektangulære veksel-spenning UL og den dertil faseforskjovne vekselstrom 1^.

Ved anvendelse av tyristor-koblingen ifolge oppfinnelsen kan omrettere også utstyres ved så hoye frekvenser med halvleder-byggelementer ved hvilke hittil bare elektronror kunne inn-settes.

Den i fig. 3 i snitt tegnede tyristor har en forste emitter-sone 1, en styresone 2, en basissone med et hoyohmig skikt 3a og et lavohmig skikt 3b, en annen emitter-

sone 4 og en forste hovedelektrode 5, en portelektrode 6 og

en annen hovedelektrode 7. Mellom sonene 1/2, 2/3a, 3b/4 ligger PN-overgangene J^, J^, J^. Tilkoblingen til hovedelektroden 5 er betegnet med E^, den til hovedelektroden 7 med E^ og den til portelektroden 6 med G.

Da PN-overgangen ikke har å oppta noen sperrespenning kan man anordne den kjente, særlig gunstige positive avskråning

(IEEE Trans.ED-11 (1964) 313) ved den fremsperrehde PN-overgang J ■.

I fig. 4 vil man se at tyristoren ifolge fig. 3 har en forban-net emitter-gate-struktur. Strimmelbredden for emittersonen 1 er betegnet med b, den for styresonen 2 med g.

Dimensj oneringseksemplér

Ved en kontinuerlig drevet hoyfrekvenstyristor oppstår relativt hoye tapseffekter. For dimensjonering legges derfor en driftstemperatur på 370 K til grunn.

Epitaxie- N- ba si styri stor

I fig. 5 vises dopingsforlopet (verdien for dopingskonsentra-sjonen N i avhengighet av avstanden x fra endeflaten) for en tyristor som ved hjelp av epitaxie fremstilles på et P+<->sub-

strat. Den "har folgende skikt:

P+<->substrat (tilsvarende den annen emittersone 4 i fig. 3):

19 -3

Akseptorkonsentrasjon N^=10 cm , SkikttykkeIse for funk-sjonen er uviktig, f. eks. 300^im.

N-skikt (tilsvarende skikt 3b i fig. 3):

16 —3

Donafcorkonsentrasjon N^= 2 . 10 cm , skikttykkelse 30 yum.

N~-skikt (tilsvarende skikt 3a i fig. 3):

14-3

Doratorkonsentrasjon N = 1 10 cm , skikttykkelse 70 pm.

P-skikt (tilsvarende styresone 2 i fig. 3):

16 —3

Akseptorkonsentrasjon N^= 4 • 10 cm , skikttykkelse 10 pm.

N+-skikt (tilsvarende den forste emittersone 1 i fig. 3) med innlegert metallisering (5/6 i fig. 3): Donatorkonsentrasjon NQi område 5 . lo 18 -5-10 19 cm —'3, skikttykkelse 10 - 20 pm. Dette N<+->skikt kan også frem-bringes ved diffusjon i et tilsvarende tykkere P-skikt.

For reduksjon av levetiden for den injiserte ladningsbærer indif-funderes i skiktene 3a, 3b på kjent måte gull inntil en konsentrasjon på o ca. 6 • lo<13>cm —3 så at det gies en levetid på o 0,7 ps.

Spenningen ved hvilken det hele N~-skikt 3a tommes for frie ladningsbærere, er U = 400 V. Den for silisium maksimale felt-styrke på 2 • 10 5 V/cm oppnåo es ved PN —overgang J ved en fremspenning på U_, = 1000 V. Gj ennombruddspenningen for NP -overgangen J i tx■ lbakeretning ligger ved 35 V. N +P-overgangen mellom styresone 2 og emittersone 1 kan maksimalt oppta 20 V.

Katoden E.. injiserer elektroner i P-basis 2 når stromtettheten over N -overgangen J.. ér stbrre enn generasjonsstrommen på denne overgang. Ved tiltagende sperrespenning ved overgangen J2overgår sperrestrommen generasjonsstrommen fra stadig mere og så snart fremspenningen overstiger 130 V, kan tyristoren alene tennes jevnt ved avbrudd av portkretsen. Denne verdi er praktisk talt temperaturuavhengig da sperrestrommen og gene-rasj onsstrommen på N<+>P-overgangen J, tilnærmet har den samme temperaturavhengighet. Ved 370 K er den minste tennstromtetthet 3 mA/cm 2og den maksimale sperrestromtetthet ved en fremspenning på 1000 V 20 mA/cm 2.

Når fra N~-området 3a en homogen stromtetthet j flyter i P-skiktet 2 og trekkes av under katoderemsen av bredden b til porten, så oppstår et maksimalt spenningsfall på U = J y b 2/8d. Ved dette er d tykkelsen og <j den spesifikke motstand i P-skiktet 2. Fra dette fremgår at ved en negativ portspenning på 10 V og en remsebredde på 2 mm kan en maksimal stromtetthet på 4 A/cm fores bort uten at katoden E.. injiserer elektroner. Denne verdi er 300 ganger storre enn den maksimale sperrestromtetthet, slik at tenningen alltid beherskes av sperrestrommen. Den maksimale over porten G forbare stromtetthet må være så hoy for at også véd ennu ca. 20 ganger overflytet basis 3a/3b kan tillates en du/dt på 1000 V/jusec. Restitusjonstiden for denne tyristor er da bare 1,5-2 usec.

Den beskrevne tyristor kan f.eks. drives med folgende data:

Elektrisk potensial ved porten ved sperring: - 10 V, og

ved tenning: 0 - + 1 V.

P- basistyristor

I fig. 6 er dopingsforlopet for en P-basistyristor gjengitt. For fremstillingen går man ut fra en ca. 200 um tykk silisium-skive med en P-dopingskonsentrasjon på 2 • 10 13 cm —3(700 O. cm). Fra én side inndiffunderer.man en 70 pm dyp P-profil og en N<+->sone. På den andre side påfores et ca. 30 um tykt N-skikt med en doping på « 4 • 10 16 cm —3 epitaktisk, i hvilket derpå o enda en P+<->profil inndiffunderes. I den hele prove inndiffunderes gull inntil en konsentrasjon på 6"10 13 cm —3 slik at det gis en levetid på 0,7 usec.

Sonene 1, 2, 3a, 3b, 4 i tyristoren i fig. 1 tilsvarer nu i samme rekkefolge P+<->skiktet, N-skiktet, P -skiktet, P-skiktet og N<+->skiktet.

Ved en fremspenning på 200 V strekker sperresonen seg gjennom det totale P~~-skikt 3a. Ved ytterligere stigning av fremspenningen utvider det seg riktignok også til 20pm ytterligere i det folgende P-skikt 3b. Den maksimale fremspenning er 2200 V. Gjennombruddspenningen for P +N- og PN -overgangen (J1resp. J^) er slik.som i det foranstående eksempel igjen 20 resp. 35 V.

Den minimale fremspenning for overhodetenningen er nu 30 V. Denne reduksjon oppnåes av den som folge av den lavere doping storre vidde av sperre skiktet ved PN-overgangen J 2' Den ma^si-male sperrestromtetthet ved en fremspenning på 2200 V og en. driftstemperatur på 370 K utgjor nu 55 mA/cm 2.

Ledeevnen i det 10 pm tykke N-skikt 2 er nesten tre ganger så hby som i P-skiktet 2 i foranstående eksempel. Derfor kan katoderemsebredden nu forstorres med en faktor til b = 3,3 mm.

For tyristoren i dette eksempel gir seg en frigjbringstid på ca. 3 psec.

Driftsdata for tyristoren i dette eksempel er f.eks. folgende:

Elektrisk potensial ved porten ved sperring: - 10 V og ved tenning: 0

Claims

1. Elektrisk kobling med en tyristor for koblingsfrekvenser på mere enn 10 kHz ved fremspenninger på mere enn 500 V, hvor tyristoren har en tannet "emitter-gate-struktur", en styresone i kontakt med porten og en lavere enn denne dopet basissone og hvor porten ved utkoblingen av tyristoren ligger på et elektrisk potensial hvis polaritet er motsatt til det for rnajoritetsbæreren i styresonen og hvor styresonen ikke har noe kortsluttende gjennombrudd til elektroden i kontakt med emittersonen og som kortslutter PN-overgangen til tilgrensende emittersonen, karakterisert ved at tyristorens basissone består av to skikt (3a, 3b) av hvilke det tii styresonen (2) grensende skikt (3a) er lavere dopet' enn det andre skikt (3b).

2. Kobling itolge krav 1, karakterisert ved at tyristorens basissone er N- eller P-dopet, og det til styresonen (2) tilgrensende skikt (3a) i basissonen ved en skikttykkelse på 30 - 200 um har en dopingskonsentrasjon 14 -3 pa mindre enn 5-10 cm , det andre skikt (3b) ved en skikttykkelse på o 10 - 60 um en dopingskonsentrasjon på o 5 • 10 <15> 17 -3 til•5 10 cm eller en til denne konsentrasjon stigende dopingsprofil, styresonen (2) ved en skikttykkelse på 5 - 25 pm en middels dopingkonsentrasjon på 1 • 10"<*>" til 2 • 10" ^ cm- , de to emittersonene (1, 4) ved en skikttykkelse på mere enn 3 um en dopingkonsentrasjon på o mere enn 5 -10 18 cm —3, og lednings-bærerlevetiden i forstnevnte skikt (3a) i basissonen er innstilt på en verdi på 0,5 - 3 psec, og at emitter-gate-strukturen er utfort remseformet idet emitter-remsebredden (b) er mellom 0,2 og 4 mm og port-remsebredden (g) mellom 0,05 og 2 mm.

3. Fremgangsmåte for drift av koblingen ifolge krav 1, karakterisert ved at det elektriske potensial for porten (G) under tyristorens fremsperretilstand er slik at PN-overgangen (J^ ) mellom styresonen (2) og den tilgrensende emittersone (1) er polet i sperreretning, og for tenning av tyristoren settes det elektriske potensial ved porten.(G) på en verdi av motsatt polaritet eller 0.

4. Fremgangsmåte ifolge krav 3, hvor koblingen omfatter en tyristor med N-dopet basissone, karakterisert ved at det elektriske potensial ved porten (G) i sperre-tilstand er mellom minus 3 og minus '20 V.

5) Fremgangsmåte ifolge krav 3, hvor koblingen omfatter en tyristor med P-dopet basissone, karakterisert ved at det elektriske potensial ved porten (G) er mellom pluss 3 og pluss 20 V.