DE102005019860B4 - Steuerbare Halbleiterdiode, elektronisches Bauteil und Spannungszwischenkreisumrichter - Google Patents

Steuerbare Halbleiterdiode, elektronisches Bauteil und Spannungszwischenkreisumrichter Download PDF

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Abstract

Steuerbare Halbleiterdiode (1; 1'; 1'') mit mindestens einem pn-Übergang, die zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist, wobei der zweite Zustand im Vergleich zum ersten Zustand einen höheren Durchlasswiderstand und eine kleinere Speicherladung aufweist, gekennzeichnet durch eine den pn-Übergang überbrückende Reihenschaltung aus einem Schottky-Diodenabschnitt und einem MOSFET-Abschnitt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine steuerbare Halbleiterdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein elektronisches Bauteil und schließlich Spannungszwischenkreisumrichter, die derartige Halbleiterdioden aufweisen.
  • Umrichter werden zum Umformen eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung einer bestimmten Amplitude, Frequenz und Phasenzahl in einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung anderer Amplitude, anderer Frequenz und/oder anderer Phasenzahl eingesetzt. Zwischenkreisumrichter sind spezielle Umrichter, die eine Eingangswechselspannung oder einen Eingangswechselstrom einer bestimmten Amplitude und Frequenz zunächst in einem Gleichrichter gleichrichten, dann in einem Zwischenkreis die gleichgerichtete Spannung oder den gleichgerichteten Strom glätten und schließlich in einem nachgeschalteten Wechselrichter in eine Ausgangswechselspannung oder einen Ausgangswechselstrom einer bestimmten Amplitude und Frequenz umformen.
  • Bei einem Spannungszwischenkreisumrichter (oder: Gleichspannungszwischenkreisumrichter) arbeitet der Wechselrichter mit einer eingeprägten Spannung und der Zwischenkreis umfasst im Allgemeinen eine parallel geschaltete Kapazität. Bei einem Stromzwischenkreisumrichter arbeitet der Wechselrichter mit einem eingeprägten Strom, und der Zwischenkreis umfasst im Allgemeinen eine in Reihe geschaltete Induktivität.
  • Derartige Umrichter weisen in der Regel steuerbare Halbleiterschaltelemente auf. Spannungszwischenkreisumrichter benötigen Halbleiterschalter, die in beiden Richtungen stromführend sein können und in einer Richtung eine Spannung aufnehmen oder sperren können. Dies können zwar grundsätzlich unipolare MOSFETs bewerkstelligen. Jedoch sind bei höheren Be triebsspannungen, aufgrund ihrer niedrigeren Durchlassspannung und höheren Sperrfähigkeit gegenüber MOSFETs, bipolare Leistungsbauelemente, insbesondere Bipolartransistoren, IGBTs, GTOs oder auch IGCTs, in Gebrauch.
  • Die genannten bipolaren Leistungshalbleiterbauelemente leiten den Strom nur in einer Richtung. Den bipolaren Halbleiterschaltelementen werden Freilaufdioden antiparallel, d. h. parallel in zur Durchlassrichtung des Halbleiterschaltelements entgegengesetzter Richtung, geschaltet, die den Strom in der anderen Richtung leiten können. Als Freilaufdioden werden bislang PIN-Dioden und – bei kleineren Spannungen – Schottky-Dioden auf Si-Basis und für größere Spannungen auch Schottky-Dioden auf SiC-Basis eingesetzt.
  • Das Reverse-Recovery-Verhalten der Freilaufdiode begrenzt jedoch die zulässige Einschaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters. Bevor die Diode Spannung aufnehmen kann, muss die Speicherladung ausgeräumt werden. Dies verursacht Verlustleistung sowohl in der Diode als auch in dem Halbleiterschalter. Bei sogenannten ”höhersperrenden” Elementen (mit einer Sperrspannung ab 1700 V) bestimmen die Einschaltverluste maßgeblich die Gesamt-Schaltverluste und damit die mögliche Schaltfrequenz und den Ausgangsstrom des Umrichters.
  • Bei der Dimensionierung der Freilaufdioden muss daher ein Kompromiss zwischen niedriger Durchlassspannung (verbunden mit einer hohen Speicherladung) und niedrigen Schaltverlusten (kleine Speicherladung, verbunden mit hohen Durchlassspannung) gefunden werden.
  • Um niedrige Speicherladungen mit niedriger Durchlassspannung zu verbinden, wird die Verwendung steuerbarer Dioden vorgeschlagen.
  • Unabhängig von und ohne Bezug zu Spannungszwischenkreisumrichtern sind verschiedene Arten MOS-gesteuerter Dioden (MCD) aus Schröder, Dierk: ”Elektrische Antriebe 3 – Leistungs elektronische Bauelemente”, Springer-Verlag, Berlin, 1996, Seiten 373 bis 377 bekannt. In allen dort beschriebenen MCD wird mittels eines MOS-Steuerkopfes, d. h. einer über dem Halbleitermaterial isoliert angebrachten Gateelektrode, zwischen zwei Zuständen des Bauelements umgeschaltet. Diese Zustände können folgendermaßen charakterisiert werden:
    • Zustand 1: geringer Durchlasswiderstand, hohe Speicherladung, Sperrvermögen
    • Zustand 2: hoher Durchlasswiderstand, geringe oder keine Speicherladung, kein oder nur geringes Sperrvermögen
  • Im Zustand 1 verhalten sich alle beschriebenen MCD wie eine PIN-Diode mit hochdotiertem p-Gebiet, d. h. im Durchlassfall ist das Bauelement gut leitend. Ferner ist es sperrfähig, allerdings muss beim Übergang von Durchlass- in Sperrrichtung eine hohe Speicherladung ausgeräumt werden.
  • Im Zustand 2 verhalten sich die beschriebenen Dioden je nach Ausführungsform wie ein eingeschalteter MOSFET oder wie eine Schottky-Diode, d. h. schlechtere Leitfähigkeit im Durchlassfall als im Zustand 1, kein oder – aufgrund des Schottky-Kontakts – nur geringes Sperrvermögen, allerdings auch keine oder nur geringe Speicherladung, die bei Änderung der Stromrichtung ausgeräumt werden muss.
  • Alle beschriebenen MCD sind so aufgebaut, dass durch das anlegen einer Gatespannung ein p- bzw. n-dotiertes Halbleitergebiet durch einen n- bzw. p-leitenden Kanal überbrückt wird. Das Umschalten der MCD bewirkt somit ein Aufbauen oder Abbauen des leitenden Kanals. Im Zustand 2 wird dadurch der pn-Übergang von einem alternativen Stromweg ”umgangen”. Der pn-Übergang ist daher im Zustand 2 nicht sperrfähig. Der Zustand 2 der MCD ist somit charakterisiert durch kein oder – beim Verhalten wie eine Schottky-Diode – durch nur geringes Sperrvermögen.
  • Da Zustand 1 den geringeren Durchlasswiderstand aufweist, sollte im Durchlassfall dieser Zustand eingestellt sein. Im Sperrfall kann die MCD nur im Zustand 1 sein, da Zustand 2 kein oder nur geringes Sperrvermögen aufweist und daher keine oder nur geringe Spannung aufnehmen kann. Allerdings sollte die MCD bei Änderung der Stromrichtung, d. h. beim Übergang vom Durchlassfall zum Sperrfall, im Zustand 2 sein, da dieser Zustand im Gegensatz zu Zustand 1 keine oder nur geringe Speicherladung aufweist. Bei Änderung der Stromrichtung, d. h. beim Übergang vom Durchlass- in den Sperrfall, sollte daher – um ein optimales Verhalten der MCD zu erreichen – die MCD zunächst im Zustand 1 sein, dann in Zustand 2 umgeschaltet werden, nun die Änderung der Stromrichtung erfolgen, und anschließend die Umschaltung in Zustand 1 erfolgen, um die Sperrung zu realisieren.
  • Auch Q. Huang: ”MOS-Controlled Diode – A New Class of Fast Switching Diode”, VPEC, 1994 VPEC Seminar Proc. 12th Annual Power Electronics Seminar, Blacksburg, USA, Sep 11–13, 1994, S. 97–105 schlägt vor, einen MOSFET als Diode zu verwenden. Im Leitend-Zustand wird dabei das Gate ausgeschaltet, die Inversdiode führt zu bipolarer Leitung, die n-Zone wird mit Elektronen-Loch-Plasma überschwemmt und die Durchlassspannung ist gering. Rechtzeitig vor dem Reverse Recovery wird das Gate eingeschaltet. Dadurch wird die Inversdiode überbrückt, und die Injektion von Löchern wird unterbrochen.
  • Nach dem Ausräumen der gespeicherten Ladungsträger ist die Durchlassspannung hoch, die Speicherladung aber wie gewünscht sehr klein. Allerdings kann das Element in diesem Zustand keine Spannung aufnehmen. Bevor die Diode Spannung aufnehmen soll, muss das Gate daher wieder ausgeschaltet werden. Das Ausschalten muss mit extrem hoher zeitlicher Genauigkeit erfolgen, daher ist dieses Konzept nicht praxisgerecht.
  • D. Drücke, D. Silber ”Power Diodes wich Active Control of Emitter Efficiency”, Proceedings of the 13th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs IPSD'01, S. 1–4 schlagen als zu den erläuterten MCDs alternative eine Parallelstruktur aus einer Diode mit hohem anodenseitigen Emitterwirkungsgrad und einer mit niedrigem anodenseitigen Emitterwirkungsgrad vor.
  • Die Diode mit niedrigem Wirkungsgrad ist zuschaltbar. Ist diese Diode abgeschaltet, fließt der Strom über die Diode mit hohem Wirkungsgrad, die Durchlassspannung ist gering. Wird die Diode mit niedrigem Wirkungsgrad eingeschaltet, so sorgt deren geringe Diffusionsspannung am pn-Übergang dafür, dass der Strom über die Diode mit niedrigem Wirkungsgrad fließt, die Speicherladung wird reduziert. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass die Diode in beiden Zuständen sperrfähig ist.
  • Da diese Diode allerdings auch in beiden Zuständen als PIN-Diode arbeitet, ist der einstellbare Unterschied zwischen niedriger und hoher Durchlassspannung nicht sehr groß.
  • Eine gattungsgemäße steuerbare Halbleiterdiode ist aus der DE 43 33 618 C2 bekannt. Diese gattungsgemäße steuerbare Halbleiterdiode besteht aus einer Schottky-Diode mit einer dazu parallelen pn-Diode, wobei diese pn-Diode über ein MOS-Gate der steuerbaren Halbleiterdiode zuschaltbar ist, Diese steuerbare Halbleiterdiode hat den Nachteil, dass im Sperrzustand relativ hohe Sperrströme auftreten.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Halbleiterdiode der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, die insbesondere unter den praktischen Einsatzbedingungen eines Spannungszwischenkreisumrichters zuverlässig funktioniert und ein hinreichend großes Verhältnis zwischen den Durchlassspannungen im Zustand 1 und 2 erreicht. Des weiteren soll ein elektronisches Bauteil mit entsprechenden Eigenschaften und ein in diesem Sinne verbesserter Spannungszwischenkreisumrichter bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird in ihrem ersten Aspekt durch eine steuerbare Halbleiterdiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1, in ihrem zweiten Aspekt durch ein elektronisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und in ihrem dritten Aspekt durch einen Spannungszwischenkreisumrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird die steuerbare Diode durch eine Halbleiteranordnung realisiert, bei der der pn-Übergang einer Leistungsdiode durch eine Reihenschaltung aus Schottky-Diode und MOSFET überbrückt wird.
  • Die Halbleiteranordnung unterscheidet sich von einem konventionellen vertikalen MOSFET dadurch, dass auf der Oberseite (beim MOSFET-Source, hier Anode) das n+-Gebiet nicht direkt kontaktiert, sondern über einen Schottky-Übergang angeschlossen ist.
  • Im Leitendzustand ist das MOS-Gate ausgeschaltet. Die pnn+-Diode ist aktiv, die n-Driftzone ist mit Löchern und Elektronen überflutet. Rechtzeitig vor dem Reverse Recovery wird der MOSFET eingeschaltet. Der pn-Übergang wird überbrückt, die Diode geht von bipolarer zu unipolarer Leitung über. Rein unipolare Leitung oder schwach bipolare Leitung lässt sich durch die Größe des anodenseitigen p+-Gebiets einstellen.
  • Anders als vorbekannten Anordnungen, ist die Halbleiteranordnung durch die Schottky-Diode auch im Zustand mit eingeschaltetem MOSFET noch sperrfähig. Sobald der in der Schaltung gegenüberliegende Transistor eingeschaltet wird und der Strom durch die Diode durch Null geht, sperrt die Schottky-Diode. Die Spannung an der Schottky-Diode reduziert die wirksame Gate-Spannung des MOSFET. Durch eine zunehmende Spannung an der Schottky-Diode sperrt dadurch der MOSFET. Die Schottky-Diode braucht daher nur einen kleinen Teil der gesamten Sperrspannung der Leistungshalbleiteranordnung aufzunehmen.
  • Die Tabelle zeigt einen Vergleich der verschiedenen Konzepte:
    Unterschied zwischen niedriger Durchlassspannung und hoher Durchlassspannung Sperrvermögen im Zustand kleiner Speicherladung
    MCD/Anordnung nach Q. Huang Gut: bipolarer Leitung im Zustand niedrigen Durchlasses, unipolare Leitung im Zustand hohen Durchlasses Sehr schlecht: kein Sperrvermögen im Zustand kleiner Speicherladung
    Anordnung nach Drücke/Silber Mittel: in beiden Fällen bipolare Leitung, Unterschied zwischen niedriger und hoher Durchlassspannung nicht sehr groß Gut: volles Sperrvermögen im Zustand kleiner Speicherladung
    Erfindungsgemäße Anordnung Gut: Bipolarer Leitung im Zustand niedrigen Durchlasses, unipolare Leitung im Zustand hohen Durchlasses Gut: volles Sperrvermögen im Zustand kleiner Speicherladung
  • Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt die Ausführung als Freilaufdiode einer Leistungshalbleiteranordnung, insbesondere eines Spannungszwischenkreisumrichters.
  • Weiter bevorzugt sind Ausführungen der Erfindung mit Mitteln der aktuellen Halbleitertechnologie, zweckmäßig ist demgemäß eine weitere Ausgestaltung, wonach der Schottky-Diodenabschnitt einen Hauptabschnitt einer ersten Elektrode auf einem ersten Gebiet eines ersten vorgegebenen Leitungstyps innerhalb eines zweiten Gebietes mit einem zweiten vorgegebenen, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp in einem Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps aufweist. Hierbei ist insbesondere die erste Elektrode eine Anode der Halbleiterdiode und der erste Leitungstyp ist der n-Leitungstyp und der zweite Leitungstyp der p-Leitungstyp, wo bei das zweite Gebiet insbesondere höher dotiert ist als das erste Gebiet.
  • Des weiteren ist bevorzugt eine Ausführung, bei der der MOSFET-Abschnitt eine über dem Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps, von diesem getrennt durch eine Isolationsschicht, in lateraler Überlappung mit zwei voneinander beabstandeten zweiten Gebieten des zweiten Leitungstyps mit hierin jeweils eingeschlossenen dritten Gebieten des ersten Leitungstyps angeordnete Gateelektrode aufweist. Hierbei sind die dritten Gebiete insbesondere jeweils höher dotiert als das erste Gebiet.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass an der gesamten Oberfläche einer zweiten Elektrode (Kathode) ein zusammenhängendes viertes Gebiet des ersten Leitungstyps in dem Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps ausgebildet ist, wobei das vierte Gebiet höher dotiert ist als das Halbleitersubstrat.
  • Eine hierzu alternative Ausgestaltung sieht vor, dass an der gesamten Oberfläche der zweiten Elektrode (Kathode) eine, insbesondere reguläre, Anordnung aus einer ersten Mehrzahl von vierten Gebieten des ersten Leitungstyps und einer zweiten Mehrzahl von fünften Gebieten des zweiten Leitungstyps in dem Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps ausgebildet ist, wobei die vierten und fünften Gebiete höher dotiert sind als das Halbleitersubstrat, derart, dass beim Übergang von unipolarer zu bipolarer Leitung der Abfluss der Löcher aus dem Elektroden-Grenzbereich erleichtert wird.
  • Weiter bevorzugt ist, dass mindestens die dritten Gebiete, vorzugsweise auch die zweiten Gebiete und/oder das erste Gebiet, Wannenform aufweisen. Im übrigen kann die Gateelektrode der MOSFET-Struktur wahlweise eine planare oder eine Trench-Konfiguration aufweisen. Diese Ausführungen erlangen speziell Bedeutung im Zusammenhang mit dem ebenfalls vorgeschlagenen elektronischen Bauteil gemäß Anspruch 13. Eine bevorzugte Ausführung dieses Bauteils sieht des weiteren vor, dass mindestens ein Chip, der eine Mehrzahl von steuerbaren Halbleiterdioden nach einem der Ansprüche 3 bis 12 als Zellen umfasst, und mindestens ein Chip, der eine Mehrzahl von abschaltbaren Leistungshalbleitern als Zellen umfasst, integriert sind.
  • Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer steuerbaren Halbleiterdiode in integriertem Aufbau gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, in planarer MOSFET-Konfiguration,
  • 2 eine Querschnittsdarstellung einer Modifikation der ersten Ausführungsform im Hinblick auf die Ausbildung der Grenzschicht zur Kathode und
  • 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer steuerbaren Halbleiterdiode in integriertem Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in Trench-Konfiguration.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Halbleiterbauelement (steuerbare Diode) 1 in einem n-dotierten Halbleitersubstrat 2, wobei auf einer ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 2 zwei miteinander verbundene erste Betriebselektroden (Anoden) 3 und 4 und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleitersubstrates eine zweite Betriebselektrode (Kathode) 5 vorgesehen sind. Die Anoden 3, 4 haben jeweils einen Neben-Elektrodenabschnitt 3A, 4A, und zwischen den beiden Hauptabschnitten der Anoden 3, 4 ist über dem Halbleitersubstrat 2 (von diesem durch eine nicht dargestellte Isolierschicht separiert) eine Gateelektrode 6 vorgesehen.
  • Während unter einem zentralen Abschnitt der Gateelektrode 6 das Halbleitersubstrat 2 mit seiner ursprünglichen Dotierung bis zur ersten Hauptoberfläche reicht, ist unter den peripheren Bereichen der Gateelektrode 6 sowie unterhalb der Neben abschnitte 3A, 4A der Anoden 3, 4 in diese Hauptoberfläche erreichendes wannenartiges Gebiet 8 bzw. 7 vom p+-Leitungstyp vorgesehen. Diese Wannen-Gebiete 7, 8 (nachfolgend auch als zweite Gebiete bezeichnet) kontaktieren die Neben-Anoden 3A, 4A direkt.
  • In die p+-dotierten Gebiete 7, 8 ist jeweils, wiederum wannenartig, ein n+-dotiertes weiteres Halbleitergebiet 9, 10 (nachfolgend auch als dritte Gebiete bezeichnet) eingebettet, und in dieses wiederum jeweils ein niedriger dotiertes wannenartiges Gebiet des gleichen Leitungstyps (n) 11 bzw. 12. Die letztgenannten Gebiete 11, 12 (nachfolgend auch als erste Gebiete bezeichnet) kontaktieren direkt die Hauptabschnitte der Anoden 3, 4, unter Bildung eines Schottky-Kontaktes.
  • Benachbart zur Gateelektrode 5 ist in der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates eine zusammenhängende Dotierungsschicht 13 vom gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat, aber mit höherer Dotierung (n+) ausgebildet, die nachfolgend auch als viertes Gebiet bezeichnet wird.
  • Die beschriebene Wannenanordnung bildet funktionsmäßig eine Parallelschaltung von zwei Schottky-Diodenabschnitten zum pn-Übergang einer primären Diodenstruktur. Durch die Anordnung der Gateelektrode 5 in Überlappung zum n-dotierten Halbleitersubstrat 2 einerseits und den p+-dotierten Gebieten 7, 8 (mit dazwischenliegender Isolierschicht) wird zudem – in Reihe zu dem Schottky-Diodenabschnitt ein MOSFET Abschnitt ausgebildet.
  • 2 zeigt eine gegenüber der Diodenkonfiguration nach 1 geringfügig modifizierte Konfiguration eines Halbleiterbauelementes 1'. Die einzige Abweichung gegenüber dem in 1 gezeigten und oben beschriebenen Aufbau besteht darin, dass benachbart zur zweiten Arbeitselektrode (Kathode) 5 in der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 2 nicht eine zusammenhängende n+-dotierte Schicht 13 gebildet ist, sondern alternierend unmittelbar aneinander angrenzende n+-Gebiete 13' und p+-Gebiete 14' vorgesehen sind. Diese Konfiguration erleichtert den Abschluss der Löcher beim Übergang von bipolarer zu unipolarer Leitung.
  • 3 schließlich zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach 1, bei der von einer planaren Gateelektroden-Konfiguration auf eine Trench-Konfiguration übergegangen ist.
  • Das hier gezeigte Halbleiterbauelement 1'' hat drei miteinander verbundenen erste Betriebselektroden (Anoden) 3, 3A, 3B auf der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 1, wobei die erste Anode 3 wieder (wie bei der Konfiguration nach 1) einen Schottky-Kontakt zum angrenzenden (ersten) Dotierungsgebiet im Halbleitersubstrat bildet, das in Analogie zu 1 mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet ist.
  • Die weiteren Anoden 3A, 3B kontaktieren p+-dotierte Gebiete, welche (ebenfalls in Anlehnung an 1) mit den Bezugsziffern 7 und 8 bezeichnet sind. Das zur zweiten Betriebselektrode (Kathode) 5 benachbarte Halbleitergebiet ist wie bei der Ausführung nach 1 eine n+-dotierte Schicht mit der Bezugsziffer 13.
  • Zwei miteinander verbundenen Gateelektroden 6A, 6B sind als Trench-Strukturen vertikal zwischen den ersten Betriebselektroden 3A und 3 bzw. 3 und 3B in die erste Hauptoberfläche in vertikaler Erstreckung eingefügt, jeweils umgeben von einer Oxidschicht, die (zur Unterscheidung von sämtlichen Komponenten der oben beschriebenen Anordnungen) mit 15A bzw. 15B bezeichnet ist. Die Isolator-umhüllten Gateelektroden 6A, 6B sind mithin zwischen den p+-dotierten Gebieten 7 bzw. 8 und einer Schichtstruktur aus dem n-dotierten Gebiet 11 unterhalb des Anodenabschnittes 3, einem unterhalb dessen angeordneten n+-dotierten Gebiet 9 und einem weiteren p+-dotierten Gebiet 16 angeordnet. Sie realisieren eine MOSFET-Struktur, die funktionsmäßig in Reihe zur zentralen Schottky-Diodenstruktur geschaltet ist.
  • Funktionsseitig bestehen zwischen den Ausführungen nach 1 und 3 keine wesentlichen Unterschiede, so dass die konkrete Ausführung in Abhängigkeit von den technologischen Randbedingungen festzulegen ist.

Claims (17)

  1. Steuerbare Halbleiterdiode (1; 1'; 1'') mit mindestens einem pn-Übergang, die zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist, wobei der zweite Zustand im Vergleich zum ersten Zustand einen höheren Durchlasswiderstand und eine kleinere Speicherladung aufweist, gekennzeichnet durch eine den pn-Übergang überbrückende Reihenschaltung aus einem Schottky-Diodenabschnitt und einem MOSFET-Abschnitt.
  2. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung als Freilaufdiode einer Leistungshalbleiteranordnung, insbesondere eines Spannungszwischenkreisumrichters.
  3. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schottky-Diodenabschnitt einen Hauptabschnitt (3; 4) einer ersten Elektrode auf einem ersten Gebiet (11, 12) eines ersten vorgegebenen Leitungstyps innerhalb eines zweiten Gebietes (7, 8) mit einem zweiten vorgegebenen, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp in einem Halbleitersubstrat (2) des ersten Leitungstyps aufweist.
  4. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode eine Anode der Halbleiterdiode ist und der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp und der zweite Leitungstyp der p-Leitungstyp ist, wobei das zweite Gebiet (7, 8) höher dotiert ist als das erste Gebiet (11, 12).
  5. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der MOSFET-Abschnitt eine über dem Halbleitersubstrat (2) des ersten Leitungstyps, von diesem getrennt durch eine Isolationsschicht (15A, 15B), in lateraler Überlappung mit zwei voneinander beabstandeten zweiten Gebieten (7, 8, 16) des zweiten Leitungstyps mit hierin jeweils eingeschlossenen dritten Gebieten (9, 10) des ersten Leitungstyps angeordnete Gateelektrode aufweist.
  6. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Gebiete (9, 10) jeweils höher dotiert sind als das erste Gebiet (11, 12).
  7. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die dritten Gebiete (9, 10), vorzugsweise auch die zweiten Gebiete (7, 8) und/oder das erste Gebiet (11, 12), Wannenform aufweisen.
  8. Steuerbare Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der gesamten Oberfläche einer zweiten Elektrode (5) ein zusammenhängendes viertes (13) Gebiet des ersten Leitungstyps in dem Halbleitersubstrat (2) des ersten Leitungstyps ausgebildet ist, wobei das vierte Gebiet höher dotiert ist als das Halbleitersubstrat.
  9. Steuerbare Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der gesamten Oberfläche der zweiten Elektrode (5) eine, insbesondere reguläre, Anordnung aus einer ersten Mehrzahl von vierten Gebieten (13') des ersten Leitungstyps und einer zweiten Mehrzahl von fünften Gebieten (14) des zweiten Leitungstyps in dem Halbleitersubstrat (2) des ersten Leitungstyps ausgebildet ist wobei die vierten und fünften Gebiete höher dotiert sind als das Halbleitersubstrat, derart, dass beim Übergang von unipolarer zu bipolarer Leitung der Abfluss der Löcher aus dem Elektroden-Grenzbereich erleichtert wird.
  10. Steuerbare Halbleiterdiode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (5) als Kathode der Halbleiterdiode wirkt.
  11. Steuerbare Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode eine planare Konfiguration aufweist.
  12. Steuerbare Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (6A, 6B) eine Trench-Konfiguration aufweist.
  13. Elektronisches Bauteil mit mindestens einem Chip, der eine Mehrzahl von steuerbaren Halbleiterdioden nach einem der Ansprüche 3 bis 12 als Zellen umfasst.
  14. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 13 mit einem Modulgehäuse, in dem mindestens ein Chip, der eine Mehrzahl von steuerbaren Halbleiterdioden nach einem der Ansprüche 3 bis 12 als Zellen umfasst, und mindestens ein Chip, der eine Mehrzahl von abschaltbaren Leistungshalbleitern als Zellen umfasst, integriert sind.
  15. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Chips Ansteuerschaltungen oder Teile von Ansteuerschaltungen für die steuerbaren Halbleiterdioden und/oder für die abschaltbaren Leistungshalbleiter in das Modulgehäuse integriert sind.
  16. Spannungszwischenkreisumrichter, der mindestens eine steuerbare Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und mindestens einen abschaltbaren Leistungshalbleiter umfasst.
  17. Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede steuerbare Halbleiterdiode die Freilaufdiode eines abschaltbaren Leistungshalbleiters ist.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8415747B2 (en) * 2010-12-28 2013-04-09 Infineon Technologies Austria Ag Semiconductor device including diode
JP5804494B2 (ja) * 2011-05-18 2015-11-04 国立大学法人九州工業大学 半導体装置及びその駆動方法
JP6077309B2 (ja) * 2013-01-11 2017-02-08 株式会社豊田中央研究所 ダイオード及びダイオードを内蔵した半導体装置
CN105379086B (zh) 2013-07-10 2018-11-20 株式会社电装 驱动控制装置
JP2020013822A (ja) * 2018-07-13 2020-01-23 トヨタ自動車株式会社 半導体装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4333618C2 (de) * 1992-10-02 1999-05-20 Fuji Electric Co Ltd Injektions-gesteuerter Schottky-Gleichrichter
DE10308313A1 (de) * 2003-02-26 2004-09-16 Siemens Ag Halbleiterdiode, elektronisches Bauteil, Spannungszwischenkreisumrichter und Steuerverfahren

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0612828B2 (ja) * 1983-06-30 1994-02-16 株式会社東芝 半導体装置
JPS63244777A (ja) * 1987-03-31 1988-10-12 Toshiba Corp Mos型電界効果トランジスタ
US4811065A (en) * 1987-06-11 1989-03-07 Siliconix Incorporated Power DMOS transistor with high speed body diode
JPH03110867A (ja) * 1989-09-26 1991-05-10 Nippon Inter Electronics Corp 縦型電界効果トランジスタ
JPH03238871A (ja) * 1990-02-15 1991-10-24 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置およびその製造方法
US5362775A (en) * 1991-03-27 1994-11-08 Nippondenso Co., Ltd. Epoxy resin composition and cured product thereof
DE10148740B4 (de) * 2001-09-27 2013-10-24 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Verfahren zur Erdschlussüberwachung eines Stromrichterantriebs

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4333618C2 (de) * 1992-10-02 1999-05-20 Fuji Electric Co Ltd Injektions-gesteuerter Schottky-Gleichrichter
DE10308313A1 (de) * 2003-02-26 2004-09-16 Siemens Ag Halbleiterdiode, elektronisches Bauteil, Spannungszwischenkreisumrichter und Steuerverfahren

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DRÜCKE,D, SLBER,D.: Power Diodes with Active Control of Emitter Efficiency, in: Proc. of the 13th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's IPSD '01, S. 1-4 *
HUANG,Q.: MOS-Controlled Diode - A New Class of Fast Switching Diodes, in: VPEC, 1994 VPEP Seminar Proc. 12th Annual Power Electronics Seminar Blacksburg, USA, 1994, S. 97-105 *
SCHRÖDER,D.: Elektrische Antriebe 3 Leistungselektronische Bauelemente, Springer Verlag, Berlin 1996, S. 373-377 *
SCHRÖDER,D.: Elektrische Antriebe 3 Leistungselektronische Bauelemente, Springer Verlag, Berlin 1996, S. 373-377 HUANG,Q.: MOS-Controlled Diode - A New Class of Fast Switching Diodes, in: VPEC, 1994 VPEP Seminar Proc. 12th Annual Power Electronics Seminar Blacksburg, USA, 1994, S. 97-105 DRÜCKE,D, SLBER,D.: Power Diodes with Active Control of Emitter Efficiency, in: Proc. of the 13th Int. Symp. on Power Semiconductor Devices & IC's IPSD '01, S. 1-4

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