WO1997044827A1 - Thyristor mit integriertem du/dt-schutz - Google Patents

Thyristor mit integriertem du/dt-schutz Download PDF

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    • H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
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    • H10D62/192—Base regions of thyristors
    • H10D62/206—Cathode base regions of thyristors

Definitions

  • a thyristor ignites before the static breakover voltage U B0 is reached if the change in time dU / dt of the voltage U applied between its connections exceeds a maximum value specific to the respective thyristor.
  • Power thyristors must be provided with emitter short circuits in order to meet the requirements with regard to the dU / dt load capacity.
  • emitter short circuits conduct part of the gate current directly to the cathode, which has a disadvantageous effect on the ignition sensitivity of the thyristor.
  • the subject of the invention is a light-ignitable and BOD-protected thyristor with integrated dU / dt protection.
  • the thyristor should be constructed in such a way that it does not ignite uncontrollably in the region of the cathode surface or at the edge in the event of an excessive dU / dt load in the tilt direction.
  • a thyristor with the features specified in claim 1 has this property.
  • the dependent claims relate to advantageous refinements and developments of the thyristor.
  • the ignition behavior of a thyristor is decisively influenced by the sheet resistance of the base on the cathode side.
  • the invention uses this property in order to specifically shift the ignition process caused by an excessive dU / dt load into the central region of the thyristor. Since the volume affected by the ignition is always within the range delimited by the first auxiliary thyristor, the plasma can spread over a large area and uniformly in radial direction, as in the case of a controlled ignition, without the current density reaching critical values .
  • FIG. 1 shows the ignition structure of a BOD-protected, light-ignitable
  • FIG. 3 shows the semiconductor body of the thyristor after carrying out individual steps of the method for producing a ner annular zone of increased resistance in the cathode-side base.
  • the light-ignitable thyristor which is shown in cross section in FIG. 1 and is equipped with a BOD (breakover diode) structure has a rotationally symmetrical structure with respect to the axis 4 which is perpendicular to the two main surfaces 2/3 of the semiconductor body 1, while the upper main surface 2 of the disk-shaped semiconductor body 1 which carries the cathode metallization 5 which runs at the edge and is provided with so-called emitter short circuits, its rear main surface 3 is completely coated with a metallization 6 serving as an anode.
  • the semiconductor body 1 consisting of silicon has a plurality of differently doped regions 7-10, each separated by space charge zones.
  • the auxiliary thyristors designated AG (amplifying gate) and arranged radially inside the cathode metallization 5, serve as driver stages for the main thyristor. They each have an n + -doped auxiliary emitter 11/11 'embedded in the cathode-side base 8 and a metallization 12/12' contacting both the auxiliary emitter 11/11 'and the base 8. Which covers the n + -doped area
  • 11/11 'extending metallization 12/12' has the function of a short-circuit emitter, which effectively suppresses unwanted firing of the respective auxiliary thyristor with large voltage gradients dU / dt.
  • a zone 13 of the cathode-side base 8 which surrounds the inner three auxiliary thyristors (1st-3rd AG) in a ring shape the dopant concentration is reduced compared to the laterally adjacent regions.
  • This ring zone 13 acts as a resistor R, which limits the ignition current flowing radially outward in the base 8 to a predetermined maximum value and thus reduces the load on the structure during the switch-on process (see, for example, [2] or [3]) .
  • the electrons injected from the adjacent auxiliary emitter 11 'into the cathode-side base 8 can recombine, so that the resistor R is not subject to any modulation when the thyristor is switched through.
  • the BOD structure present in the center of the thyristor serves for overvoltage protection.
  • the cathode-side base 8 has an elevated ring zone 15 in a ring zone 15 below the n + -doped region 11 of the first auxiliary thyristor LAG Resistance.
  • the width L and the sheet resistance R D of the ring zone 15, given by the dopant concentration, have a decisive influence on both the minimum radiation intensity required to ignite the first auxiliary thyristor and its dU / dt load capacity, these parameters can be appropriately dimensioned that the centrally located thyristor structure has the greatest dU / dt sensitivity of the system and consequently ignites first when a critical value of the voltage steepness is exceeded.
  • the sheet resistance R D of the ring zone 15, which is approximately 200-600 ⁇ m wide, is typically R D 2,000-4,000 ⁇ D. It is therefore 10-20 times greater than the sheet resistance of the adjacent base area (R D (p + ) «200 - 400 ⁇ ⁇ ).

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Abstract

Bei einer zu grossen dU/dt-Belastung eines Thyristors kann dieser im Bereich der Kathodenfläche unkontrolliert zünden. Da sich das Plasma dort nur schlecht ausbreitet und die Stromdichte demzufolge sehr schnell kritische Werte erreicht, besteht die Gefahr der Zerstörung des Thyristors durch lokale Überhitzung. Der vorgeschlagene Thyristor weist eine zentral gelegene BOD-Struktur (BOD = break-over-diode) und mehrere, die BOD-Struktur ringförmig umschliessende Hilfsthyristoren (1-5. AG) (AG = amplifying gate) auf. Unterhalb des dem innersten Hilfsthyristor (1. AG) zugeordneten Emitterbereichs (11) ist der Widerstand der kathodenseitigen Basis (8) lokal erhöht. Da die Breite (L) und der Schichtwiderstand dieser Ringzone (15) die dU/dt-Belastbarkeit des ersten Hilfsthyristors (1. AG) entscheidend beeinflusst, lässt sich durch eine geeignete Dimensionierung dieser Parameter sicherstellen, dass der zentrale Thyristorbereich die kleinste dU/dt-Empfindlichkeit des Systems aufweist und er demzufolge bei Überschreitung eines kritischen Wertes der Spannungssteilheit stets zuerst zündet. Lichtzündbare Leistungsthyristoren.

Description

Beschreibung
Thyristor mit integriertem dU/dt-Schutz
1. Einleitung
Ein Thyristor zündet bereits vor dem Erreichen der statischen Kippspannung UB0, wenn die zeitliche Änderung dU/dt der zwi¬ schen seinen Anschlüssen angelegten Spannung U einen für den jeweiligen Thyristor spezifischen Maximalwert übersteigt.
Ausgelöst wird diese unter Umständen zur Zerstörung des Thy¬ ristors führende Fehlzündung durch den Aufbau der Raumla¬ dungszone am p-Basis/n-Basis-Übergang und dem daraus resul¬ tierenden, den Sperrstrom verstärkenden Verschiebungsstrom Id = Cd dU/dt (Cd: spannungsabhängige Raumladungskapazität des pn-Übergangs) . Mit Hilfe von Kathoden-Emitterkurzschlüssen läßt sich die dU/dt-Festigkeit eines Thyristors erheblich verbessern, da ein Großteil des kapazitiven Verschie¬ bungsstroms Id im Halbleiterkörper nicht mehr über den katho- denseitigen pn-Übergang, sondern von der Basis direkt zur Ka¬ thode fließt. Der kritische Wert der Spannungssteilheit ent¬ sprechend aufgebauter Thyristoren beträgt typischerweise meh¬ rere 1000 V/μs.
2. Stand der Technik
Leistungsthyristoren müssen mit Emitterkurzschlüssen versehen werden, um den Anforderungen hinsichtlich der dU/dt- Belastbarkeit zu genügen. Emitterkurzschlüsse leiten aller- dings einen Teil des Gatestroms direkt zur Kathode ab, was sich nachteilig auf die Zündempfindlichkeit des Thyristors auswirkt. Zur Lösung dieses Problems wird unter anderem vor¬ geschlagen, die Struktur des Gates zu optimieren, die vom ka¬ pazitiven Strom Id hervorgerufene Potentialänderung der ka- thodenseitigen Basis zu kompensieren und die optische Zün¬ dempfindlichkeit des Thyristors durch mehrere hintereinander geschaltete "Amplifying Gate" -Stufen zu erhöhen (s. bei¬ spielsweise [1] und [2] ) .
3. Ziele und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung hat einen insbesondere lichtzündbaren und BOD- geschützten Thyristor mit integriertem dU/dt-Schutz zum Ge¬ genstand. Der Thyristor soll derart aufgebaut sein, daß er im Falle einer zu großen dU/dt-Belastung in Kipprichtung nicht unkontrolliert im Bereich der Kathodenfläche oder des Randab¬ schlusses zündet . Ein Thyristor mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigenschaft. Die abhängi¬ gen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei¬ terbildungen des Thyristors.
Unabhängig von der Art der Zündung (elektrische oder optische Ansteuerung, dU/dt-Triggerung) wird das Zündverhalten eines Thyristors in entscheidender Weise vom Schichtwiderstand der kathodenseitigen Basis beeinflußt. Die Erfindung nutzt diese Eigenschaft, um den durch eine zu große dU/dt-Belastung her¬ vorgerufenen Zündvorgang gezielt in den Zentralbereich des Thyristors zu verlagern. Da das von der Zündung betroffene Volumen immer innerhalb des durch den ersten Hilfsthyristor begrenzten Bereichs liegt, kann sich das Plasma, wie bei ei- ner gesteuerten Zündung, großflächig und gleichförmig in ra¬ dialer Richtung ausbreiten, ohne daß die Stromdichte kriti¬ sche Werte erreicht.
4. Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläu¬ tert. Es zeigen Figur 1 die Zündstruktur eines BOD-geschützten lichtzündbaren
Thyristors im Querschnitt; Figur 2 die BOD-Struktur des Thyristors im Querschnitt;
Figur 3 den Halbleiterkörper des Thyristors nach Ausführung einzelner Schritte des Verfahrens zur Herstellung ei- ner ringförmigen Zone erhöhten Widerstandes in der kathodenseitigen Basis.
5. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Der in Figur 1 im Querschnitt dargestellte, mit einer BOD (breakover-diode) -Struktur ausgestattete lichtzündbare Thyri¬ stor besitzt einen rotationssymmetrischen Aufbau bezüglich der senkrecht auf den beiden Hauptflächen 2/3 des Halbleiter- körpers 1 stehenden Achse 4. Während die obere Hauptfläche 2 des scheibenförmigen Halbleiterkörpers 1 die randseitig ver¬ laufende, mit sogenannten Emitterkurzschlüssen versehene Ka¬ thodenmetallisierung 5 trägt, ist seine rückseitige Hauptflä¬ che 3 vollständig mit einer als Anode dienenden Metallisie- rung 6 beschichtet. Der aus Silizium bestehende Halbleiter¬ körper 1 weist mehrere unterschiedlich dotierte, jeweils durch Raumladungszonen voneinander getrennte Bereiche 7 -10 auf. Diese Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit bilden den n+-dotierten kathodenseitigen Emitter 7, die p-dotierte Basis 8, die nur schwach elektronenleitende anodenseitige Ba¬ sis 9 sowie den von der Anodenmetallisierung 6 kontaktierten p+-Emitter 10 des Thyristors.
Die mit AG (Amplifying Gate) bezeichneten, radial innerhalb der Kathodenmetallisierung 5 angeordneten Hilfsthyristoren dienen als Treiberstufen für den Hauptthyristor. Sie weisen jeweils einen in der kathodenseitigen Basis 8 eingebetteten, n+-dotierten Hilfsemitter 11/11' und eine sowohl den Hilfse¬ mitter 11/11' als auch die Basis 8 kontaktierende Metallisie- rung 12/12' auf. Die sich über den n+-dotierten Bereich
11/11' erstreckende Metallisierung 12/12' hat die Funktion eines Kurzschlußemitters, der ein unerwünschtes Zünden des jeweiligen Hilfsthyristors bei großen Spannungssteilheiten dU/dt wirkungsvoll unterdrückt.
In einer die inneren drei Hilfsthyristoren (1.-3. AG) ring¬ förmig umschließenden Zone 13 der kathodenseitigen Basis 8 ist die Dotierstoffkonzentration gegenüber den lateral an¬ grenzenden Bereichen verringert . Diese Ringzone 13 wirkt als Widerstand R, der den in der Basis 8 radial nach außen flie¬ ßenden Zündstrom auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt und so die Belastung der Struktur während des Einschaltvor¬ gangs vermindert (s. beispielsweise [2] oder [3]) . Am Metall¬ ring 14 können die vom angrenzenden Hilfsemitter 11 ' in die kathodenseitige Basis 8 injizierten Elektronen rekombinieren, so daß der Widerstand R beim Durchschalten des Thyristors keiner Modulation unterliegt.
Die im Zentrum des Thyristors vorhandene, in [4] näher be¬ schriebene und in Figur 2 vergrößert dargestellte BOD- Struktur dient dem Überspannungsschutz. Ihre lateralen Abmes- sungen sind mit O± = 350 μm und Da = 550 μm so bemessen, daß die DurchbruchsSpannung bei Zimmertemperatur T = 23°C etwa UB0D « 7,7 kV beträgt.
Um einen durch eine zu große dU/dt-Belastung hervorgerufenen Zündvorgang gezielt in den Zentralbereich des Thyristors zu verlagern, besitzt die kathodenseitige Basis 8 in einer un¬ terhalb des n+-dotierten Bereichs 11 des ersten Hilfsthyri¬ stors LAG liegenden Ringzone 15 einen erhöhten Widerstand. Da die Breite L und der durch die Dotierstoffkonzentration gegebene Schichtwiderstand RD der Ringzone 15 sowohl die zur Zündung des ersten Hilfsthyristors erforderliche minimale Strahlungsintensität als auch dessen dU/dt-Belastbarkeit ent¬ scheidend beeinflußt, läßt sich durch eine geeignete Dimen¬ sionierung dieser Parameter sicherstellen, daß die zentral gelegene Thyristorstruktur die größte dU/dt-Empfindlichkeit des Systems aufweist und sie demzufolge bei Überschreitung eines kritischen Wertes der Spannungssteilheit zuerst zündet. Der Schichtwiderstand RD der etwa 200 - 600 μm breiten Ring¬ zone 15 beträgt typischerweise RD « 2000 - 4000 ΩD. Er ist damit um einen Faktor 10-20 größer als der Schichtwiderstand des angrenzenden Basisbereichs (RD (p+) « 200 - 400 Ωπ) . Ausgangspunkt des Verfahrens zur Herstellung der Ringzone 15 erhöhten Widerstandes in der kathodenseitigen Basis 8 ist die in Figur 3a dargestellte Siliziumscheibe (n-leitend) , welche zwei aluminiumdotierte und damit p-leitende Bereiche 17/17' aufweist. Sie wird beidseitig im Vakuum mit einer nur etwa 5 μm tief reichenden, aber vergleichsweise hochdotierten Al- Belegung 18/18' versehen. Dieser etwa 2 Stunden dauernde Pro¬ zeß findet bei einer Temperatur T = 1060°C statt. Anschlie¬ ßend entfernt man die obere AI-Belegung 18 im Bereich der späteren Widerstandszone, wobei eine photolithographisch strukturierte Maske die Lage und Breite des herausgeätzten Grabens 19 definiert. Das Eintreiben der noch verbleibenden AI-Belegungen 18/18' in die darunterliegenden Schichten 17, 17' erfolgt bei einer Temperatur T = 1240°C. Während dieses etwa 20 Stunden in Anspruch nehmenden Vorgangs bildet sich unterhalb des Grabens 19 eine ringförmige Zone 20 verminder¬ ter Dotierstoffkonzentration. In Abweichung dieses Verfahrens ist es selbstverständlich auch möglich, die Ringzone 20 er¬ höhten Widerstandes durch eine maskierte Borimplantation zu erzeugen.
6. Ausgestaltungen und Weiterbildungen
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel . So ist es ohne weiteres möglich, den vorgeschlagenen dU/dt-Schutz auch in einem mit einer konventionellen Gateelektrode ausgestatteten oder einem keine BOD-Struktur aufweisenden Thyristor vorzuse¬ hen bzw. die Zone erhöhten Widerstandes unterhalb eines ande- ren zentral gelegenen Hilfsthyristors zu erzeugen. 7. Literatur
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Claims

Patentansprüche
1. Thyristor mit dem folgenden Aufbau: a) Er besitzt einen mit einer als Kathode dienenden ersten Elektrode (5) und einer als Anode dienenden zweiten Elek¬ trode (6) versehenen, mehrere unterschiedlich dotierte Be¬ reiche (7-10) aufweisenden Halbleiterkörper (1) ; b) die Dotierung und die Lage der Bereiche (7-10) innerhalb des Halbleiterkörpers (1) sind derart gewählt, daß die Be- reiche (7-10) einen kathodenseitigen Emitter (7) eines er¬ sten Leitungstyps, eine kathodenseitige Basis (8) eines zweiten Leitungstyps, eine daran angrenzende anodenseitige Basis (9) des ersten Leitungstyps und einen anodenseitigen Emitter (10) des zweiten Leitungstyps bilden; c) im Zentralbereich des Halbleiterkörpers (1) befindet sich eine optisch oder elektrisch angesteuerte Zündstruktur; d) zwischen der Zündstruktur und der als Kathode dienenden ersten Elektrode (5) ist mindestens ein Hilfsthyristor
(1. AG) angeordnet, wobei der Hilfsthyristor (1. AG) einen in die kathodenseitige Basis (8) eingebetteten Hilfsemit¬ ter (11) des ersten Leitungstyps und eine den Hilfsemitter (11) und die kathodenseitige Basis (8) kontaktierende dritte Elektrode (12) aufweist; e) in einem unterhalb des Hilfsemitters (11) liegenden ersten Bereich (15) der kathodenseitigen Basis (8) ist der Wider¬ stand gegenüber den lateral angrenzenden Basisbereichen erhöht .
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand im ersten Bereich (15) der kathodenseiti¬ gen Basis (8) sich um einen Faktor 5-20 vom Widerstand der lateral angrenzenden Basisbereiche unterscheidet.
3 . Thyristor nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Thyristor rotationssymmetrisch bezüglich eines senk¬ recht zur einer kathoden- oder anodenseitigen Hautfläche (2, 3) des Halbleiterkörpers (1) orientierten Achse (4) aufgebaut ist.
4. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Bereich (15) erhöhten Widerstandes eine ring¬ förmige Struktur besitzt.
5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die ringförmige Struktur (15) eine Breite von 200-600 μm aufweist.
6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor mit mehreren Hilfsthyristoren (1.-5. AG) ausgestattet ist und daß der erste Bereich (15) erhöhten Wi- derstandes unterhalb des der Zündstruktur benachbarten Hilf¬ semitters (11) lokalisiert ist.
7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Zone der kathodenseitigen Basis (8) zwei Gruppen von Hilfsthyristoren trennt und daß innerhalb dieser Zone ein zweiter Bereich (13) erhöhten Basiswiderstandes lokalisiert ist.
8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß in den Zentralbereich des Halbleiterkörpers (1) eine BOD- Struktur integriert ist .
9. Thyristor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Hilfsthyristor (1. AG) die bezüglich der Achse (4) rotationssymmetrische BOD-Struktur ringförmig umschließt.
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