DE10017922A1

DE10017922A1 - PN-Diode mit hoher Einsatzspannung

Info

Publication number: DE10017922A1
Application number: DE2000117922
Authority: DE
Inventors: Anton Mauder; Roland Rupp; Erich Griebl; Armin Willmeroth
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: DE10017922B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PN-Diode mit hoher Einsatzspannung, bei der in einen Halbleiterkörper (11) eines ersten Leitungstyps eine erste Halbleiterzone (12) eines zweiten Leitungstyps eingebettet ist, welche ihrerseits wenigstens eine zweite Halbleiterzone (19) des ersten Leitungstyps enthält. Ein anodenseitiger Transistor mit einem Kanal des zweiten Leitungstyps ist so gestaltet, daß dieser nicht oder erste bei hohen Stromdichten oberhalb des Sperrstromniveaus der aus der ersten und zweiten Halbleiterschicht (12, 19) gebildeten Diode (D2) aufsteuert und bei niedrigen Stromdichten keine Wirkung entfaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PN-Diode mit hoher Einsatzspannung, bei der in einen schwach dotierten Halblei terkörper eines ersten Leitungstyps eine erste wannenförmige Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps eingebettet ist und bei der in die erste Halbleiterzone eine zweite, wannenförmi ge Halbleiterzone des ersten Leitungstyps eingebracht ist.

Bei zahlreichen Anwendungen von Dioden, in denen diese in ra scher Folge abwechselnd in Sperrichtung und in Durchlaßrich tung betrieben werden, wird in den Dioden eine möglichst ge ringe Speicherladung angestrebt, da durch diese beim Umkommu tieren der Dioden Schaltverluste verursacht werden. In dieser Hinsicht sind nun Schottky-Dioden Dioden mit PN-Übergang, al so PN-Dioden und PIN-Dioden, deutlich überlegen, da die Schottky-Dioden bekanntlich keine Überschwemmungsladung im Halbleiterkörper besitzen. Aus diesem Grund werden bei Anwen dungen, in denen Dioden in schneller Folge abwechselnd in Sperrichtung und in Durchlaßrichtung betrieben sind, an sich bevorzugt Schottky-Dioden eingesetzt.

Nun sind aber wegen der Bandstruktur des üblichen Halbleiter materials Silizium und der auf dieses aufgebrachten Schottky- Kontakte Schottky-Dioden nur mit einer maximalen Sperrspan nung von etwa 200 V bei vertretbaren Sperrströmen zu beauf schlagen. Gegenüber Schottky-Dioden aus Silizium haben Schottky-Dioden aus Halbleitermaterialien mit großem Bandab stand, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SiC), den Vorteil einer erheblich höheren Sperrspannung: so kann bei SiC die Sperrspannung Werte über 1700 V erreichen.

Bei Schottky-Dioden nimmt die Dioden-Durchlaßspannung Vf bei konstantem Strom I mit der Temperatur T der Schottky-Diode zu, wobei beispielsweise bei SiC deren Widerstand R ungefähr proportional zu T^2,5 ist. Dadurch steigt die Verlustleistung in der Schottky-Diode, was zu einer weiteren Erwärmung führt. Bei Überschreitung eines über eine feste Zeit angelegten kri tischen Stromes ergibt sich so eine starke nichtlineare Erhö hung der Dioden-Durchlaßspannung Vf.

Dieser Zusammenhang ist in der Fig. 6 gezeigt, in welcher die Dioden-Durchlaßspannung Vf in Abhängigkeit von dem Dioden- Durchlaßstrom If für drei verschiedene Dioden bei einer Tem peratur von 25°C und zweimal bei einer Temperatur von 100°C aufgetragen ist. Als Dioden wurden dabei auf 4 A (DC bzw. Gleichstrom) ausgelegte SiC-Schottky-Dioden verwendet, an die für eine Zeit von jeweils 10 ms sinusförmige Überstromimpulse angelegt und die Scheitelwerte der Dioden-Durchlaßspannung Vf gemessen wurden. Stromwerte, an denen eine Zerstörung der Diode eingetreten ist, sind durch schwarze Punkte angedeutet.

Bei den verschiedensten elektronischen Schaltungen können be kanntlich kurzzeitige aperiodische Überstromspitzen auftre ten. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn beim Einschalten einer solchen elektronischen Schaltung Stützkondensatoren aufgeladen werden. Die durch solche Überstromspitzen bean spruchten Bauelemente müssen für diese aperiodischen Bela stungen ausgelegt sein. Sie werden daher in der Regel überdi mensioniert, was aber die weiteren dynamischen Eigenschaften der Bauelemente verschlechtert und zu höheren Kosten für die se führt.

Als Beispiel sei eine in Fig. 7 gezeigte ungeschützte PFC- Stufe (PFC = power factor correction) eines Schaltnetzteiles genannt. Einem Eingang 1 sind hier eine Brückenschaltung, ei ne Drossel 2 und eine Diodeneinrichtung 3 nachgeschaltet. Die Diodeneinrichtung 3 ist einerseits mit einem Schalttransistor 4 und andererseits mit einem Stützkondensator 5 verbunden. Ein Controller 6 ist an die Gateelektroden des Schalttransi stors 4 und eines weiteren Schalttransistors 7 angeschlossen. Er steuert und mißt den Ladezustand des Stützkondensators 5 und steuert das Schaltnetzteil. Außerdem kann der Drossel 2 noch ein Heißleiter-Widerstand 8 vorgeschaltet sein.

Für die Diodeneinrichtung 3 kann die Parallelschaltung einer Reihenschaltung aus zwei 2 Si-PIN-(oder PN-)Dioden 9 mit ei ner Schottky-Diode 10 verwendet werden. Für die Schottky- Diode 10 wird beispielsweise eine SiC-Schottky-Diode herange zogen.

Die prinzipielle Funktionsweise einer solchen PFC-Stufe ist beispielsweise in M. Herfurth: "Power Factor Controller TDA 4862 Applications", Siemens AT2 9402 E, beschrieben.

Durch Parallelschalten der zwei in Reihe liegenden Si-PIN- Dioden 9 zu der Schottky-Diode 10 wird die Schottky-Diode 10 vom Einschaltstrom entlastet. Spätestens in dem Strombereich, für den die Schottky-Diode einen starken Anstieg der Durch laßspannung Vf zeigt, übernehmen die PIN-Dioden 9 den Haupt anteil des Stromes. Im Normalbetrieb fällt beispielsweise an einer SiC-Schottky-Diode eine Spannung Vf von nur etwa 1,4 V ab. Die Si-PIN-Dioden 9 sind dann bei einer Schwellenspannung von 2 × 0,73 V = 1,46 V nicht aktiv, und es fällt durch sie nur eine vernachlässigbar kleine zusätzliche Sperrverzöge rungsladung an. Fig. 8 zeigt eine herkömmliche PN-Hochspan nungsdiode für 600 V mit einem n^--leitenden Silizium-Halblei terkörper 11, in den eine p-leitende Zone 12 beispielsweise durch Diffusion eingebracht ist. Auf einer ersten Oberfläche 13 des Halbleiterkörpers 11 bzw. der Zone 12 befinden sich eine Rand-Oxidschicht 14, eine Polyimid-Schicht 15 und eine Metall-Kontaktschicht 16 aus beispielsweise Aluminium, wäh rend auf einer zur Oberfläche 13 gegenüberliegenden Oberflä che 17 des Halbleiterkörpers 11 eine weitere Metall-Kontakt schicht 18 vorgesehen ist. Die Diode selbst ist durch ein Symbol D1 am pn-Übergang dargestellt.

Auf diese herkömmliche Hochspannungsdiode, welche im Sperr fall die Spannung aufnimmt, wird, wie in Fig. 9 gezeigt ist, bei einer bereits vorgeschlagenen Hochspannungsdiode eine weitere n-dotierte Schicht 19 aufgebracht.

Eine sich zwischen der Schicht 19 und der Zone 12 bildende Diode D2 ist in Sperrichtung gepolt, wenn die Diode D1 in Durchlaßrichtung liegt. Anschließend wird noch eine p⁺-lei tende Schicht 20 in die Schicht 19 eingebracht.

Es sei angemerkt, daß die Schichten 19, 20 und die Zone 12 jeweils durch Diffusion und/oder Ionenimplantation erzeugt werden können.

Mit der Schicht 20 bildet sich zwischen dieser und der Schicht 19 eine Diode D3. Die Diode D3 ist mit der Diode D1 in Flußrichtung gepolt, wenn die Diode D2 in Sperrichtung an geordnet ist.

Anstelle der Schicht 20 kann gegebenenfalls auch ein Schott ky-Kontakt 21 aufgebracht werden, welcher die Diode D3 bil det. Die Schicht bzw. der Bereich 20 kann dann entfallen.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Anordnung bildet sich eine Raum ladungszone in den p- und n-leitenden Schichten 19, 20 und der p-leitenden Zone 12 aus. Ist die n-leitende Schicht 19 an Ladungsträgern ausgeräumt, so stößt die Raumladungszone vom PN-Übergang zwischen der Zone 12 und der Schicht 19 zur Schicht 20 durch. Die Durchgriffspannung in Vorwärtsrichtung kann sogar noch in bestimmten Grenzen durch die Dotierungen und die Breite der N-leitenden Schicht 19 eingestellt werden.

Die Schottky-Diode 10 und die Si-PIN-(bzw. PN-)Dioden 9 kön nen entweder als einzelne Chips oder als Si-Doppeldiode in einem Gehäuse untergebracht werden, was die Montage der An ordnung erheblich erleichtert.

Der Aufwand für die Si-Doppeldiode wird bei Verbindungshalb leitern ohne weiteres durch die Verkleinerung der Fläche kompensiert, die für eine derartige Schottky-Diode durch die völlige Vermeidung eines Überstromes möglich ist.

In dem obigen Ausführungsbeispiel sind die beiden Dioden D1 und D3 in Reihe geschaltet. Gegebenenfalls können noch weite re Dioden hierzu in Reihe vorgesehen werden, so daß parallel zu der Schottky-Diode mehrere Si-PIN- bzw. -PN-Dioden in Reihe liegen. Diese Si-PIN- bzw. -PN-Dioden können, wie in Fig. 9 gezeigt ist, ohne weiteres in einem Halbleiterkörper integriert sein.

Die in Fig. 9 gezeigte Diode hat zwar eine erhöhte Dioden- Durchlaßspannung Vf und kann damit beispielsweise zur Entla stung einer SiC-Diode in elektronischen Schaltungen mit kurz zeitigen aperiodischen Überstromspitzen beitragen. Ihre Durchlaßkennlinie, die in Fig. 10 gezeigt ist, in welcher der Durchlaßstrom I in A in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Spannung U in V für verschiedene Werte der n-Dotie rung NO in der n-leitenden Schicht der Dioden D2, D3 aufge tragen ist, zeigt schon bei relativ geringen Strömen ein so genanntes "snap-back" ("Rückschnappen"). Dieses snap-back er folgt aufgrund des anodenseitigen pnp-Transistors aus den Schichten 12, 19 und 20, welcher ab einer gewissen Stromdich te einschaltet. Nach diesem Einschalten des anodenseitigen pnp-Transistors fällt der Anteil der Sperrspannung der Diode D2 an der Vorwärtsspannung Vf weg. Dies bedeutet, daß die be stehende Diode der Fig. 9 bereits bei normalem Betriebsstrom und nicht nur bei Einschaltstromspitzen einen Teil des Stro mes übernimmt und damit zu erhöhten Schaltverlusten beiträgt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PN- Diode anzugeben, die sich durch eine hohe Einsatzspannung auszeichnet, ohne den snap-back-Effekt zu zeigen.

Diese Aufgabe wird bei einer PN-Diode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode in der PN- Diode derart gestaltet ist, daß ein im Anodenbereich gebilde ter Transistor mit einem Kanal des zweiten Leitungstyps nicht oder erst bei hoher Stromdichte oberhalb des Sperrstromni veaus der aus der ersten und zweiten Halbleiterzone gebilde ten Diode aufsteuert und bei niedrigen Stromdichten keine Wirkung entfaltet.

Wenn also beispielsweise der erste Leitungstyp der n-Lei tungstyp ist, dann steuert bei der erfindungsgemäßen PN-Diode ein aus der ersten, p-leitenden Halbleiterzone, der zweiten, n-leitenden Halbleiterzone und einer dritten, p⁺-leitenden Halbleiterzone, welche in der n-leitenden, zweiten Halblei terzone vorgesehen ist, gebildeter pnp-Transistor erst bei hohen Stromdichten wesentlich oberhalb des Sperrstromniveaus der durch die erste Halbleiterzone und die zweite Halbleiter zone gebildeten Diode auf, wodurch das snap-back der Kenn linie der PN-Diode zu einem höheren Stromniveau verschoben wird. Um dies zu erreichen, werden in die dritte, p-leitende Halbleiterzone, also in den p-leitenden Emitter der aus der zweiten Halbleiterzone und der dritten Halbleiterzone gebil deten Diode n-leitende Gebiete eingebaut, welche "Emit tershorts" (Emitterkurzschlüsse) bewirken. Bei diesen sind nämlich die zweite Halbleiterzone und die dritte Halbleiter zone über den Anodenkontakt kurzgeschlossen. Diese Emit tershorts führen so einen großen Teil des Stromes an der p- leitenden dritten Halbleiterzone vorbei direkt in die Anode. Dadurch verschiebt sich die Aufsteuerung des pnp-Transistors zu höheren Stromdichten.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird auf die dritte Halbleiterzone, also im obigen Beispiel auf die drit te, anodenseitige p⁺-leitende Halbleiterzone, vollständig verzichtet: der Effekt des im Anodenbereich gebildeten Tran sistors mit einem Kanal des zweiten Leitungstyps, also im obigen Beispiel des pnp-Transistors entfällt dann vollstän dig. Bei einer solchen Gestaltung der PN-Diode kann erst dann ein snap-back auftreten, wenn der aus dem Halbleiterkörper, der ersten Zone des zweiten Leitungstyps und der zweiten Zone des ersten Leitungstyps gebildete Transistor mit einem Kanal des ersten Leitungstyps, im obigen Beispiel also ein NPN- Transistor, aufgesteuert wird, was aber erst bei hohen Strom dichten eintreten kann.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann noch in der zweiten Halbleiterzone ein hochdotierter Kontaktbereich des ersten Leitungstyps vorgesehen werden.

Obwohl oben von einer PN-Diode gesprochen wird, kann die Er findung in gleicher Weise auf eine PIN-Diode angewandt wer den. Unter "PN-Diode" ist also auch eine "PIN-Diode" zu ver stehen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen PN- Diode,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zwei ten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen PN-Diode,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines drit ten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen PN-Diode,

Fig. 4 den Verlauf der Durchlaßkennlinie der PN-Diode gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1, wobei der Durchlaßstrom I in A in Abhängigkeit von der an der PN-Diode liegenden Spannung U in V aufge tragen ist,

Fig. 5 den Verlauf der Durchlaßkennlinie der PN-Diode gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2, wobei der Durchlaßstrom I in A in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Spannung Ü in V aufgetra gen ist,

Fig. 6 den Verlauf der Dioden-Durchlaßspannung Vf in Ab hängigkeit von dem Dioden-Durchlaßstrom If bei Schottky-Dioden,

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau eines Schaltnetzteiles mit einer PFC-Stufe,

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer her kömmlichen Si-PIN-Diode,

Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung einer beste henden PN-Diode und

Fig. 10 den Verlauf der Durchlaßkennlinie bei der beste henden PN-Diode von Fig. 9, wobei der Durchlaß strom I in A in Abhängigkeit von der an der PN liegenden Spannung U in V aufgetragen ist.

Die Fig. 6 bis 10 sind bereits eingangs erläutert worden.

In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile je weils die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße PN-Diode gemäß einem er sten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei die ser PN-Diode sind in dem p-leitenden Emitter, also in eine p⁺-leitende Schicht 21 n-leitende Gebiete, sogenannte "Emit tershorts" eingebaut. Das heißt, die n-leitende Silizium schicht 19 erstreckt sich hier bis unter die Metall-Kontakt schicht 16 aus beispielsweise Aluminium. Dadurch wird ein großer Teil des Stroms an dem p-leitenden Emitter, also der Siliziumschicht 21, vorbei in die Anode geführt. Dies bedeu tet, daß erst bei hohen Stromdichten, die wesentlich oberhalb des Sperrstromniveaus der Diode D2 liegen, der pnp-Transistor aus den Schichten 12, 19 und 21 aufgesteuert wird. Mit ande ren Worten, die snap-back-Erscheinung der Kennlinie ver schiebt sich dadurch zu einem höheren Stromniveau. Dies ist aus der Fig. 4 zu ersehen, in der der Verlauf des Durchlaß stromes I in A in Abhängigkeit von der an der PN-Diode lie genden Spannung U in V gezeigt ist. Ein Vergleich zwischen den Fig. 4 und 10 zeigt sofort, daß bei der erfindungsgemäßen PN-Diode gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 jedenfalls bei Spannungen zwischen 5 und etwa 12 V, die an der PN-Diode liegen, noch kein snap-back auftritt.

Eine solche snap-back-Erscheinung ist erst bei hohen Strom dichten zu erwarten, die wesentlich oberhalb des Sperrstrom niveaus der Diode D2 zwischen den Schichten 12 und 19 liegen. Erst hier kann der pnp-Transistor aus den Schichten 12, 19 und 21 aufgesteuert werden.

Mit anderen Worten, bei der PN-Diode gemäß dem Ausführungs beispiel von Fig. 1 verschiebt sich ein snap-back der Kennli nie zu einem wesentlich höheren Stromniveau.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird auf das anodenseitige p⁺-leitende Gebiet ganz verzichtet, d. h., die p⁺-leitende Schicht 21 (vgl. Fig. 1) ist hier weggelassen. Damit entfällt der Effekt des pnp-Transistors vollständig.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein snap-back erst dann auftreten, wenn der npn-Transistor aus dem Siliziumkörper 11 und den Schichten 12 und 19 aufgesteuert wird. Durch eine ge eignete Dimensionierung kann aber erreicht werden, daß eine solche snap-back-Erscheinung erst bei sehr hohen Stromdichten eintritt.

Fig. 5 zeigt die Durchlaßkennlinie der PN-Diode gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2. Wie aus dieser Fig. 5 zu er sehen ist, treten selbst bei Spannungen zwischen 15 und 20 V, die an der PN-Diode liegen, keine snap-back-Erscheinungen auf.

Fig. 3 zeigt noch eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2: hier ist zusätzlich noch eine n⁺-leitende Schicht 22 vorgesehen, die für eine bessere Kontaktgabe zu der Kon taktschicht 16 dient.

Die erfindungsgemäße PN-Diode besteht in bevorzugter Weise aus Silizium. Selbstverständlich können für diese Diode aber auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise SiC oder A_IIIB_V-Halbleitermaterialien gewählt werden. Ebenso kann der ersten Leitungstyp der n-Leitungstyp oder der p-Leitungs typ sein, so daß der zweite Leitungstyp der p-Leitungstyp bzw. der n-Leitungstyp ist.

Bezugszeichenliste

1

Eingang

2

Drossel

3

Diodeneinrichtung

4

Schalttransistor

5

Stützkondensator

6

Controller

7

Transistor

8

Heißleiter-Widerstand

9

Si-PIN-Diode

10

SiC-Schottky-Diode

11

n^-

-leitender Halbleiterkörper

12

p-leitende Zone

13

erste Oberfläche des Halbleiterkörpers

14

Rand-Oxidschicht

15

Polyimidschicht

16

Kontaktschicht

17

zweite Oberfläche des Halbleiterkörpers

18

Kontaktschicht

19

n-leitende Schicht

20

p⁺

-leitende Schicht

21

p⁺

-leitende Schicht

22

n⁺

-leitende Schicht

Claims

1. PN-Diode mit hoher Einsatzspannung, bei der in einen schwach dotierten Halbleiterkörper (11) eines ersten Lei tungstyps eine erste wannenförmige Halbleiterzone (12) des zweiten Leitungstyps eingebettet ist und bei der in die erste Halbleiterzone (12) eine zweite, wannenförmige Halbleiterzone (19) des zweiten Leitungstyps eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode in der PN-Diode derart gestaltet ist, daß ein im Anodenbereich gebildeter Transistor mit einem Kanal des zweiten Leitungstyps nicht oder erst bei hohen Strom dichten oberhalb des Sperrstromniveaus der aus der ersten und zweiten Halbleiterzonen (12, 19) gebildeten Diode (D2) aufsteuert und bei niedrigen Stromdichten keine Wir kung entfaltet.

2. PN-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gebiete des ersten Leitungstyps und eine dritte Halblei terzone (21) des zweiten Leitungstyps so in der zweiten Halbleiterzone (19) enthalten sind, daß zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterzone (19, 21) ein Emit terkurzschluß vorliegt.

3. PN-Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnete, daß ein Anodenkontakt (16) zusätzlich zu der dritten Halblei terzone (21) auch die zweite Halbleiterzone (19) kontak tiert.

4. PN-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus lediglich der zweiten Halbleiterzone (19) gebildet ist.

5. PN-Diode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterzone (19) eine hochdotierten Kon taktbereich (22) des ersten Leitungstyps enthält.