NO763249L - Du/dt - beskyttelsesanordning samt fremgangsm}te for fremstilling av anordningen. - Google Patents

Description

dU/dt - beskyttelseanordning samt fremgangsmåte for fremstilling av anordningen.

Oppfinnelsen vedrorer en beskyttelsesanordning for styrbare effekthalvlederkomponenter mot for hoye spenningsokningshastigheter du/dt, og en fremgangsmåte for fremstilling av anordningen.

Ved bruk av tyristorer i elektriske koblinger sorges enten for en normal belastning av tyristoren, som ligger langt under de tillatte grenseverdier, eller det må bygges opp en spesiell

kobling til beskyttelse av tyristorene. Dette er spesielt nod-vendig ved hoyspennings-stromlikerettere, hvor det benyttes

multippelseriekoblinger av tyristorer, fordi det ved slike an-legg er særlig stor fare for en ujevn og for sterk belastning av enkelte tyristorer.

Begrensningen av den spenning som påtrykkes tyristoren oppnås ved RC-ledd (jfr. f.eks. H.Laber: "Hochspannungsstromrichter mit Thyristoren", Siemens Zeitschrift 47 (1973), S. 823 ff.) og/ eller ved halvleder-spenningsbegrensere (jfr. f.eks. Brown Boveri Mitteilungen 1972, side 476 ff).

Fra nevnte artikkel av H. Laber er det videre kjent å beskytte tyristorer mot for hoye spenningsokningshastigheter du/dt, som likeledes bevirker uonsket tenning.av tyristorene, ved et egnet valg av kapasiteter eller induktiviteter.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å tilveiebringe en du/dt-beskyttelsesanordning for styrbare effekthalvlederkomponenter, dvs. tyristorer, hvilken kan fremstilles på en enkel og okonomisk måte og vesentlig forenkler den spesielle kobling

som er anordnet til beskyttelse av tyristoren.

Denne oppgave loses ifolge oppfinnelsen ved at beskyttelsesanordningen består av minst en halvlederkomponent, som er anordnet mellom hoyedelektroden og styreelektroden for den komponent som skal beskyttes og har minst fire soner med vekselvis motsatt ledeevnetype, av hvilke forste og fjerde sone, emitterne, hver

er brakt i kontakt med en forste og en andre elektrode og andre sone, basissonen, har et område med forhoyet dopingkonseritrasjon som er brakt i kontakt med en tredje elektrode, og at det er anordnet en ohmsk forbindelse mellom forste elektrode for forste emitter og tredje elektrode.

Oppfinnelsen baserer seg i det vesentlige på det faktum at det ved opptreden av en fastlagt spenningsokningshastighet du/dt kobles inn et spesielt beskyttelseselement, hhv. en modul, som består av flere slike i serie koblede beskyttelseselementer som er anordnet mellom anoden og styreelektroden ("gate") for den tyristor som skal beskyttes, og som derved avgir en portstrom,

hvormed den tyristor som skal beskyttes normalt tennes for den kan odelegges ved tenning på grunn av for stor spenningsokningshastighet.

Ytterligere fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av noen utforelseseksempler som i det folgende er nærmere omtalt under henvisning til tegningen, hvor

fig. 1 viser et snitt gjennom halvlederkomponenten for en beskyttelsesanordning ifolge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et erstatningskoblingsskjema for en del av halvlederkomponenten ifolge fig. 1,

fig. 3 viser halvlederkomponenten ifolge fig. 1, sett ovenfra,

fig. 4 er en perspektivgjengivelse av flere halvlederkomponenter ifolge fig. 1, fremstilt av en enkelt silisiumskive,

fig. 5 er en perspektivgjengivelse av en halvlederkomponent ifolge fig. 1 med tilknytninger loddet til anoden, katoden og

porten,

fig. 6 viser en elektrisk kobling med tyristorer som er beskyt-tet med beskyttélsesanordningen ifolge oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et snitt gjennom en halvlederkomponent for en beskyttelsesanordning ifolge oppfinnelsen med en N<+>PNP<+->sonerek-kefolge. N<+->sonen (forste emitter).er her betegnet med 1, P-sonen (basissonen) med 2, N-sonen med 3 og P+<->sonen (andre emitter) med 4. Sonene 1,2,4 er forsynt med kontaktflater 6,7 og 8. Under kontaktflaten 7 har P-sonen 2 et område 5 med forhoyet doping (port-sone).

Når den nye komponentens virkemåte skal forklares, forutsettes at katoden K er jordet og at kontaktflaten 7 for P-sonen 2 er forbundet med katoden K via en elektrisk ledende forbindelse 9 (kortslutning eller motstand). Ved en okning av den spenning som ligger mellom anoden A og katoden K med konstant du/dt blir soneovergangen J»belastet i sperreretning og det vil bygge seg opp en romladesone. De avgående ladingsbærere gir en strom:

hvorved C er overgangens J ? kapasitet, som i sin tur er avhen-gig av den påtrykte spenning. (For forklaring av virkemåten kan både kapasiteten C og■stromtettheten j av denne kapasitive strom forutsettes som konstant over hele overgangens J«flate.) For ovre del av komponenten ifolge fig. 1 fremkommer da er-statningskoblingsskjemaet som vist i fig. 2. Dioden D svarer til PN-overgangen J, mellom N<+->sonen 1 og P-sonen 2. Motstanden svarer til den laterale motstand i P-sonen 2, under N -sonen 1 og motstanden Rcsvarer til den laterale motstand mellom N<+->sonen 1 og P -omradet 5. Motstanden RA svarer til den ytre forbindelse 9 fra porten G til katoden K. N -sonen 1 og P -området 5 kan betraktes som ekvipotensialplan, slik at hoyeste potensialdifferanse opptrer i overgangen J, i punkt Z. Den utgjor:

Rs = (/0(Z) dZ)_±

Cf (Z) = spesifikk ledeevne i en dybde Z innenfor P-sonen 2

Zj^ = inntrengningsdybden av N+-sonen 1

ZT= inntrengningsdybden av P-sonen 2

1K = bredden av N+-sonen 1

lg = avstanden mellom N+-sonen 1 og P+<->området 5

i c-dy

F F dt

F = soneovergangens plan

Av ovenstående formel fremgår, hvorledes den nodvendige spenning Uzfor tenning ved en fast/valgt du/dt kan innstilles på overgangen : For et fastlagt P-profil og dermed for fastlagte motstander R-. og Rs fremkommer folgende muligheter: 1. RA blir praktisk talt gjort til 0 (kortslutning) og 1K og lg dimensjoneres tilsvarende eller 2. l'K og lg velges så små at spenningsreduksjonen i silisiet ikke strekker til og tenningen innstilles ved hjelp av motstanden R^.

Fordelen ved mulighet 1 består i at fremstillingen er særdeles enkel. En etterfølgende innstilling av den noyaktige tenningsverdi er imidlertid bare mulig ved forstorrelse av motstanden Rg ved hjelp av en bortetsing. Ved den andre muligheten kan den noyaktige tenningsverdi derimot innstilles på det ferdige element.

Beskyttelsesanordninger av denne type kan kobles i serie. Så snart et element tenner ved okende spenning, forstorres spenningsokningshastigheten på de ovrige, slik at alle elementer kobler gjennom. Da driftsdata i dette tilfelle bare må oppfylles av modulen bestående av flere elementer, kan storre toleranser

tillates for de enkelte elementer.

Som et eksempel beskrives i det folgende fremstillingen av en modul, som skal beskytte en tyristor med en elektrisk fasthet på 3,2 kV mot spenningsokninger som er hurtigere enn 600 V/^us. For disse krav er det anordnet en modul som består av tre beskyttelseselementer. Da må hvert enkelt element kunne sperre 1,2 kV i foroverretning og koble inn ved en^på 200 V/^us.

Da beskyttelseselementenes fremstilling er så rimelig som mulig, gis det avkall på en optimert kantavfasning ("Randanschragung"). For at elementene like fullt skal ha tilstrekkelig elektrisk fasthet, er dopingkonsentrasjonen i N-sonen 3 valgt forholdsvis lav, slik at feltstyrken forblir ringe overalt på PN-overgangen J 299dermed også på overflaten, når den maksimale spenning på 1,2 kV påtrykkes. Erfaringsmessig kan det på overflaten opptre feltstyrker opp til 1,3 . 10 V/cm. For at denne verdi ikke skal overskrides ved 1,2 kV, må gjennomslagsspenningen i komponentens indre utgjore ca. 3 kV. Derav folger i N-sonen 3 en dopingkonsentrasjon på: ND5 . 10 13 cm — 3 100 cm). For at tenning ved en "punch-through-effeet" på den annen side med sikkerhet skal hindres ved en spenning på 1,2 kV, velges en tykkelse på ca. 350 ^/um for N-sonen.

For P-sonen 2 og P+<->sonen 4 inndiffunderes et vanlig akseptor-profil, hvorved inntrengningsdybden er ca. 70 /um og overflate-in _3 / konsentrasjonen ca. 10 cm .1 tilslutning blir det på hele anodesiden og i området 5 i P-sonen 2 som senere skal settes i kontakt inndiffundert et ca. 20 /um dypt borprofil, som har en overflatekonsentrasjon på mer enn 10<20>cm —<3>

I tilslutning opprettes N<+->sonen 1 ved inndiffundering av fos-for-urenhetsprikker. For de laterale motstander i P-sonen 2 fås

dermed en R på 230 ohm under N+-sonen 1 og en Rcpå 100 ohm

+ ' b

mellom N -sonen og portsonen.

Ved en spenning på 30V utgjor overgangens J2kapasitet:

nF 2

C = 0,4 F ( ,—^ • cm )/slik at det ved en spenningsoknings-cm

hastighet på 200 V/ yus fremkommer en stromtetthet på

j = 8 . 10~<2>A/cm<2>.

Tar man hensyn til at en opptredende potensialdifferanse på ca. 0,6V i gjennomgangsretning på et punkt av PN-overgangen dan-ner god tilnærming til tyristorens tenningsbetingelse (jfr. f. eks. J. Burtscher, E. Spenke: Siemens Forschungs und Entwick-lungs Bericht, bd. 3 (1974), s. 235), kan 1,. og 1„ med R, = 0 velges slik at ligning (1) er oppfylt:

For eksempel velges 1K = 2,0 mm og lg = 2,4 mm.

Det fremkommer da f.eks. rektangulære komponenter, som er ca.

6 x 1,5 mm 2. Et slikt element er vist ovenfra i fig. 3.

Ved fremstillingen inndiffunderes P + - og N +- sonene på katode-siden i strimler i en silisiumskive og det anordnes bortetsin-ger til opptagelse av et passifiseringssjikt og til oppdeling i enkeltelementer. Dermed vil det etter oppdeling fremkomme mange likeartede beskyttelseselementer (fig. 4).

I fig. 5 ses ett enkelt beskyttelseselement med fastloddede elektroder. A betegner anodekontakten og K<1>betegner den'kontakt som samtidig kortslutter katoden K og porten G.

I fig. 6 er det vist et eksempel på anvendelse av den nye komponent i en elektrisk kobling. Parallelt med tyristorene 11 og 12 ligger hver sitt RC-ledd 13 hhv. 14, ved hjelp av hvilket de periodevis opptredende spenningsokningshastigheter begrenses. Hvis dU/dt dog tilfeldigvis skulle overskride denne verdi, vil beskyttelseselementet 15 hhv. 16 koble gjennom og gi en strom-puls til tyristorens port, slik at denne tennes normalt.

Claims (5)

1. Beskyttelsesanordning for styrbare effekthalvlederkomponenter mot for hoye spenningsokningshastigheter du/dt, karakterisert' ved at beskyttelsesanordningen består av minst en halvlederkomponent, som er anordnet mellom hovedelekt-roden, især anoden, og styreelektroden for den komponent som skal beskyttes, og som har minst fire soner (1,2,3,4) av vekselvis motsatt ledeevnetype, av hvilke forste og fjerde sone, emitterne (1,4) hver er brakt i kontakt med en forste og en andre elektrode (K,A) og andre sone, basissonen (2), har et område (5) med okt dopingkonsentrasjon, som er brakt i kontakt med en tredje elektrode (G), og at det er anordnet en ohmsk forbindelse (9) mellom forste elektrode (K) for forste emitter (1) og tredje elektrode (G).

2. Fremgangsmåte for fremstilling av beskyttelsesanordningen som angitt i krav 1, karakterisert ved at den spenningsokningshastigheten du/dt ved hvilken beskyttelsesanordningen tenner, innstilles slik ved valg av bredden 1^ for forste emitter (1), avstanden lg mellom forste emitter (1) og området (5) med okt dopingkonsentrasjon, samt av verdien RA av den ohmske motstand for forbindelsen (9) mellom forste elektrode (K) og tredje elektrode (G), at den ligger under den du/dt-verdi ved hvilken den beskyttede komponent ville tenne.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at forst bredden 1K og avstanden lg velges slik at beskyttelsesanordningen tenner ved en du/dt-Verdi som er storre enn den kritiske du/dt-verdi for komponenten som skal beskyttes og at beskyttelsesanordningens spenningsokningshastighet deretter innstilles på den du/dt-verdi som bestemmes av den komponent som skal beskyttes ved forandring av verdien av den ohmske motstand av forbindelsen (9) mellom forste og tredje elektrode.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at verdien av den ohmske motstand av forbindelsen (9) mellom forste og tredje elektrode velges meget ringe (RA^ 0), og at den noyaktige innstilling av du/dt-verdien innstilles ved en okning av basissonens (2) sjiktmotstand Rg.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at okningen av sjiktmotstanden Rg gjennomføres ved hjelp av bortetzing.