Zweiweg-Halbleiterschalter, insbesondere Triac, mit einem Halbleiterkörper, welcher eine Grundstruktur aus drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps mit hochdotierten stirnseitigen Bereichen und stirnseitige Zonen umfasst, deren Leitungstyp entgegengesetzt ist zu dem der beiden äusseren Zonen der Grundstruktur, wobei auf der ersten Stirnfläche des Halbleiterkörpers sperrfrei eine erste Hauptelektrode und eine Steuerelektrode, und auf der zweiten Stirnfläche sperrfrei eine zweite Hauptelektrode angebracht sind, und wobei die beiden Hauptelektroden mit der ihnen benachbarten Zone der Grundstruktur und/oder deren hochdotiertem stirnseitigen Bereich und einer stirnseitigen Zone, und die Steuerelektrode mit einer stirnseitigen Zone und der benachbarten Zone der Grundstruktur und/oder deren stirnseitigem hochdotierten Bereich in Kontakt stehen.
Der Triac dient zur doppelwegigen Leistungssteuerung.
Seine Wirkungsweise ist z. B. in der DT-OS 1 489 894 (vgl.
auch Proceedings of the IEEE, April 1965, 5. 355 bis 369) er läutert.
Es wird angestrebt, den Triac in vier Betriebsweisen bzw. im Vier-Quadrantenbetrieb einsetzen zu können, d. h.
die erste Hauptelektrode ist negativ oder positiv gegenüber der zweiten Hauptelektrode und die Steuerelektrode ist jeweils bezüglich der ersten Hauptelektrode entweder positiv oder negativ. Vorrangig ist dabei dafür zu sorgen, dass der Triac für alle vier Betriebsweisen etwa gleiche Zündstrombzw. Steuerstromhöhen benötigt.
Es sind bereits Triacs der eingangs genannten Gattung be kannt, die eine gute Symmetrie der Zündströme aufweisen sollen (DT-AS 1 764 821, DT-AS 1 539 982, DT-OS 2 261 819 und US-PS 3 549 961).
Zur Symmetrierung und Erniedrigung der Zündstromhöhe ist bei den bekannten Triacs jeweils eine bestimmte laterale Geometrie vorgesehen. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Nebenschlüsse zwischen aneinandergrenzenden Bereichen zu bilden, zwischen denen der einen Hauptelektrode zugeordneten Gebieten und den der Steuerelektrode zugeordneten Gebieten eine Rille (Gate-Graben) einzuätzen und z. B. durch eine kreisringförmige Geometrie und laterale Versetzung der jeweiligen Aussenschichten gleichlange
Strompfade zu schaffen, so dass die zum Zünden erforderli che Stärke des Steuerstroms für alle vier Betriebsfälle zumin dest in der gleichen Grössenordnung liegt (DT-OS 2 261 819).
Bei den bekannten Triacs besteht eine enge Kopplung von Zünd- und Kommutierungsverhalten, d. h. eine Verbesse rung des Zündverhaltens zieht im allgemeinen eine Ver schlechterung der höchstzulässigen Spannungsteilheit (du/dt
Festigkeit nach der Kommutierung) nach sich. Bei indukti ver Last eilt die Spannung dem Laststrom bekanntlich vor.
Wenn der Laststrom durch Null geht, springt die Spannung auf den der Sinusfunktion entsprechenden Wert an. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung wird lediglich durch die Kapazität des Triacs und die induktive Last begrenzt. Es ist bekannt, diesen Spannungsanstieg durch eine zusätzliche, dem Triac parallel geschaltete Reihenschaltung eines Wider standes und eines Kondensators zu begrenzen (SCR-Manual v. General Electric, 4th Edition [1967], Abschnitt 7.1.4).
Der Erfindung liegt ausgehend von einem Gegenstand der eingangs genannten Gattung die Aufgabe zugrunde, eine bessere Symmetrie der Zündströme und eine Entkopplung von Zünd- und Kommutierungsverhalten zu erreichen.
Die Lösung besteht erfindungsgemäss darin, dass die Eindringtiefe xn der mit der Steuerelektrode in Kontakt stehenden stirnseitigen Zonen und/oder die Eindringtiefe xn der mit der zweiten Hauptelektrode in Kontakt stehenden stirnseitigen Zone grösser sind als die Eindringtiefe xn der mit der ersten Hauptelektrode in Kontakt stehenden stirnseitigen Zone, wobei die Eindringtiefen jeweils auf die zugehörige Stirnseite des Halbleiterkörpers bezogen sind, und dass die auf die Fläche der zweiten Hauptelektrode bezogene Zahl der Emitterkurzschlüsse, über welche die der zweiten Hauptelektrode benachbarte Zone der Grundstruktur mit der zweiten Hauptelektrode in Kontakt steht, grösser ist als die entsprechende,
auf die Fläche der ersten Hauptelektrode bezogene Zahl der Emitterkurzschlüsse an dieser ersten Hauptelektrode.
Der Zündstrom wird durch die Vergrösserung der Eindringtiefe in(3) der Steuerzone oder/und der Eindringtiefe In(2) an der zweiten Hauptelektrode gemäss nachfolgender Tabelle 1 in den verschiedenen Zündquadranten mehr oder weniger stark verkleinert.
Tabelle 1
EMI1.1
<tb> Zündquadranten <SEP> I <SEP> II <SEP> III <SEP> IV
<tb> Polung <SEP> UA2 <SEP> > <SEP> UA2 > UAI <SEP> UA2 <SEP> < <SEP> UA1 <SEP> UA2 <SEP> < <SEP> UAI
<tb> Potential <SEP> an <SEP> der
<tb> Elektrode <SEP> UG <SEP> UG <SEP> > <SEP> UAI <SEP> UG <SEP> < <SEP> UAI <SEP> UG <SEP> < <SEP> UAI <SEP> UG <SEP> > <SEP> UAI
<tb> xn(3) <SEP> > <SEP> xn( =In(2) <SEP> - <SEP> stark <SEP> schwach <SEP> schwach
<tb> xn(2) <SEP> > <SEP> In(1) <SEP> = <SEP> xn(3) <SEP> - <SEP> - <SEP> stark <SEP> stark
<tb> xn(2), <SEP> xn(3) <SEP> > <SEP> In(1) <SEP> - <SEP> stark <SEP> stark <SEP> stark
<tb> Es bedeuten: A1 - die erste Hauptelektrode A2 - die zweite Hauptelektrode G - die Steuerelektrode xn(i) -die vorbezeichneten Eindringtiefen.
Aus der Tabelle ist jeweils die Verkleinerung der Zündstromhöhe eines Triacs gemäss der Erfindung gegenüber einem Triac mit lediglich lateral geänderter Geometrie entnehmbar. Bei optimaler Wahl der Eindringtiefen können etwa gleiche Zündstromhöhen für alle vier Zündquadranten erreicht werden.
Die Beeinflussung der Kommutierungsfestigkeit durch die Eindringtiefe in(3) ist zu vernachlässigen. Die Vergrösserung von In(2) wirkt sich dagegen vermindernd auf die du/dt Festigkeit beim Kommutieren von der Polarität UAI < nach UA1 > UA2 aus. Diese Verkleinerung wird vorteilhaft kompensiert durch eine grössere Emitterkurzschlussdichte an der zweiten Hauptelektrode A2, ohne dass dadurch die Zündströme wesentlich beeinflusst werden.
Die voneinander unabhängige und unterschiedliche Eindringtiefe der genannten Zonen kann z. B. erreicht werden durch unterschiedlich tiefe Diffusion der Gebiete xn(i) nach vorheriger entsprechender Maskierung oder durch eine Stufen.
ätzung der Ausgangsstruktur und anschliessende Bildung der Zonen durch Diffusion. Die Eindringtiefen x,ci > sind folg lich immer bezogen auf die gedachte ursprüngliche Oberfläche der pnp-Ausgangsstruktur.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Das Schnittbild zeigt den Zonenaufbau nur schematisch, weil einmal ein Schnitt durch den Halbleiterkörper nicht alle Zonen erfassen würde und zum anderen vorliegend wesentliche Merkmale aus der schematischen Darstellung besser zu entnehmen sind.
Die Grundstruktur besteht aus drei Zonen 1, 2 und 3 abwechselnd gegengesetzten Leitungstyps. Stirnseitige Zonen 4 und 5 unterschiedlichen Leitungstyps bilden jeweils die Emitter- bzw. Anodenrandzonen. Sie sind jeweils n+ bzw.
p+-dotiert
Zwischen ihnen treten, Nebenschlüsse bildend, jeweils Be reiche 6 der ihnen jeweils benachbarten Zonen 1 bzw. 3 an die Oberfläche. Die Steuerelektrode G ist durch eine Rille (Gate-Graben) 7 von dem von der ersten Hauptelektrode Al kontaktiertem Bereich getrennt. Unter der Steuerelektrode G liegt eine erste stirnseitige Zone 8, d. h. ein hoch dotierter Bereich (p+) der benachbarten Zone 1 und eine zweite stirnseitige Zone 9 des Leitungstyps n+. Diese stirnseitigen Zonen 8, 9 wirken als Steuerzonen. Durch jeweils zwei
Pfeile ist angedeutet, welche Zonen in ihrer Eindringtiefe auf einen bestimmten, relativen Wert eingestellt werden sol len.
Eine Vergrösserung der Eindringtiefe in(3) oder/und der
Eindringtiefe in(2) bewirkt wegen der dadurch vergrösserten
Stromverstärkungsfaktoren der für die jeweiligen Zündfälle massgeblichen 3.Schicht-Strukturen eine Verkleinerung des
Zündstromes in den verschiedenen Zündquadranten. Eine aus reichende du/dt-Festigkeit auch für den Fall vergrösserter
Eindringtiefe in(2) wird durch eine erhöhte Emitterkurz schlussdichte im Bereich der zweiten Hauptelektrode A2 er reicht. Die Anordnung von Emitterkurzschlüssen als solche ist wie eingangs beschrieben bekannt aus der vorgenannten
DT-AS 1 539 982 sowie dem SCR Manual (insbesondere 5. 10).
Two-way semiconductor switch, in particular a triac, with a semiconductor body which comprises a basic structure of three zones of alternating opposite conduction type with highly doped end-face areas and end-face zones whose conduction type is opposite to that of the two outer zones of the basic structure, with the first end face of the semiconductor body free of barriers a first main electrode and a control electrode, and a second main electrode are attached to the second end face without blocking, and wherein the two main electrodes with the zone of the basic structure adjacent to them and / or their highly doped frontal area and a frontal zone, and the control electrode with a frontal zone and the adjacent zone of the basic structure and / or its end-face highly doped area are in contact.
The triac is used for two-way power control.
Its mode of action is z. B. in DT-OS 1 489 894 (cf.
also Proceedings of the IEEE, April 1965, pp. 355 to 369) he explains.
The aim is to be able to use the triac in four modes of operation or in four-quadrant operation; H.
the first main electrode is negative or positive with respect to the second main electrode and the control electrode is either positive or negative with respect to the first main electrode. The priority is to ensure that the triac has approximately the same ignition current or the same for all four modes of operation. Control current levels required.
There are already triacs of the type mentioned be known, which should have a good symmetry of the ignition currents (DT-AS 1 764 821, DT-AS 1 539 982, DT-OS 2 261 819 and US-PS 3,549,961).
A specific lateral geometry is provided in each of the known triacs for balancing and lowering the ignition current level. In this context, it is known to form shunts between adjacent areas, between which the areas assigned to a main electrode and the areas assigned to the control electrode a groove (gate trench) to be etched and z. B. by a circular geometry and lateral offset of the respective outer layers of the same length
To create current paths so that the strength of the control current required for ignition is at least of the same order of magnitude for all four operating cases (DT-OS 2 261 819).
In the known triacs, there is a close coupling of ignition and commutation behavior, i. H. An improvement in the ignition behavior generally results in a deterioration in the maximum permissible voltage rate of rise (du / dt
Strength after commutation). In the case of an inductive load, the voltage leads the load current as is well known.
When the load current goes through zero, the voltage jumps to the value corresponding to the sine function. The rate of rise of the voltage is only limited by the capacity of the triac and the inductive load. It is known to limit this voltage rise by an additional series connection of a resistor and a capacitor connected in parallel to the triac (SCR manual v. General Electric, 4th Edition [1967], Section 7.1.4).
Based on an object of the type mentioned at the beginning, the invention is based on the object of achieving better symmetry of the ignition currents and a decoupling of ignition and commutation behavior.
The solution according to the invention is that the penetration depth xn of the frontal zones in contact with the control electrode and / or the penetration depth xn of the frontal zone in contact with the second main electrode are greater than the penetration depth xn of the frontal zones in contact with the first main electrode Zone, wherein the penetration depths are in each case related to the associated end face of the semiconductor body, and that the number of emitter shorts related to the area of the second main electrode, via which the zone of the basic structure adjacent to the second main electrode is in contact with the second main electrode, is greater than the corresponding,
The number of emitter short circuits on this first main electrode related to the area of the first main electrode.
The ignition current is reduced to a greater or lesser extent in the various ignition quadrants by increasing the penetration depth in (3) of the control zone and / or the penetration depth In (2) on the second main electrode according to Table 1 below.
Table 1
EMI1.1
<tb> Ignition quadrant <SEP> I <SEP> II <SEP> III <SEP> IV
<tb> Polarity <SEP> UA2 <SEP>> <SEP> UA2> UAI <SEP> UA2 <SEP> <<SEP> UA1 <SEP> UA2 <SEP> <<SEP> UAI
<tb> Potential <SEP> at <SEP> the
<tb> electrode <SEP> UG <SEP> UG <SEP>> <SEP> UAI <SEP> UG <SEP> <<SEP> UAI <SEP> UG <SEP> <<SEP> UAI <SEP> UG <SEP >> <SEP> UAI
<tb> xn (3) <SEP>> <SEP> xn (= In (2) <SEP> - <SEP> strong <SEP> weak <SEP> weak
<tb> xn (2) <SEP>> <SEP> In (1) <SEP> = <SEP> xn (3) <SEP> - <SEP> - <SEP> strong <SEP> strong
<tb> xn (2), <SEP> xn (3) <SEP>> <SEP> In (1) <SEP> - <SEP> strong <SEP> strong <SEP> strong
<tb> The following denotes: A1 - the first main electrode A2 - the second main electrode G - the control electrode xn (i) - the aforementioned penetration depths.
The table shows the reduction in the ignition current level of a triac according to the invention compared to a triac with a geometry that has only changed laterally. If the penetration depths are optimally selected, approximately the same ignition current levels can be achieved for all four ignition quadrants.
The influence on the commutation strength through the penetration depth in (3) is negligible. The increase in In (2), on the other hand, has a reducing effect on the du / dt strength when commutating from the polarity UAI <to UA1> UA2. This reduction in size is advantageously compensated for by a greater emitter short-circuit density at the second main electrode A2, without the ignition currents being significantly influenced as a result.
The independent and different penetration depth of the zones mentioned can, for. B. can be achieved by different depths diffusion of the areas xn (i) after previous appropriate masking or by a step.
Etching of the initial structure and subsequent formation of the zones by diffusion. The penetration depths x, ci> are consequently always related to the imaginary original surface of the pnp starting structure.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing.
The sectional view shows the zone structure only schematically because, on the one hand, a section through the semiconductor body would not cover all zones and, on the other hand, essential features can be better derived from the schematic illustration in the present case.
The basic structure consists of three zones 1, 2 and 3 of alternately opposite line types. Frontal zones 4 and 5 of different conduction types each form the emitter and anode edge zones. They are each n + or
p + doped
Step between them, forming shunts, each Be rich 6 of the respective adjacent zones 1 and 3 to the surface. The control electrode G is separated from the area contacted by the first main electrode A1 by a groove (gate trench) 7. Under the control electrode G there is a first frontal zone 8, i. H. a highly doped region (p +) of the adjacent zone 1 and a second end-face zone 9 of the conduction type n +. These end zones 8, 9 act as control zones. By two each
Arrows indicate which zones should be set in their penetration depth to a specific, relative value.
An increase in the penetration depth in (3) and / or the
Penetration depth in (2) caused because of the increased
Current amplification factors of the 3rd layer structures relevant for the respective ignition cases a reduction in the
Ignition current in the different ignition quadrants. Sufficient dv / dt strength even in the event of increased
The penetration depth in (2) is achieved by an increased emitter short circuit density in the area of the second main electrode A2. The arrangement of emitter short circuits as such is known from the aforementioned, as described at the outset
DT-AS 1 539 982 and the SCR manual (especially 5. 10).