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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer vor einem
Emitter eines ersten Leitungstyps in Richtung zu einer mit Dotierstoff
eines zweiten Leitungstyps niedrig dotierten Basiszone lateral durchgehend
ausgebildeten Feldstoppzone, die mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps
dotiert ist und insofern inhomogen ausgebildet ist, dass sie Stellen
mit einer höheren
Dotierung pro Flächeneinheit
und Stellen mit einer niedrigeren Dotierung pro Flächeneinheit
aufweist. Ein solches Halbleiterbauelement ist aus
US 5,723,349 A bekannt.
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Beim
Abschalten von IGBTs oder Kommutieren von Dioden tritt am Bauelement
eine durch den Stromrückgang
an den immer vorhandenen parasitären
Induktivitäten
verursachte Überspannung
auf. Diese Überspannung
kann das Bauelement zerstören,
wenn sie höher
als die zulässige
Betriebsspannung des Bauelements ist.
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Bei
der Messung der Durchbruchspannung von Halbleiterbauelementen wird
dem Bauelement ein definierter Strom eingeprägt und die sich dabei ergebende
Spannung gemessen. Dieser Messpunkt liegt üblicherweise im steilen Anstieg
der Durchbruchskennlinie. Bei Feldstoppbauelementen kann sich dabei
das Problem ergeben, dass die Durchbruchskennlinie bereits bei sehr
kleinen Strömen
einen negativen differentiellen Widerstand aufweist. In einem solchen
Fall wird sich der Strom bei abnehmender. Spannung auf ein Filament
zusammenziehen, wobei das Bauelement wegen der hohen lokalen Strom-
und Verlustleistungsdichte im Allgemeinen zerstört wird.
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Halbleiterbauelemente
mit Feldstoppzone sind allgemein bekannt. So beschreibt das
US-Patent 5 668 385 A )
ein Halbleiterschalterbauelement, zum Beispiel einen IGBT, MCT oder
GTO oder auch eine Diode, bei der eine Feldstoppzone unmittelbar anschließend an
einen Rückseitenemitter
gebildet ist.
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In
einer vertikalen NPN-Struktur wird mit einem an der Vorderseite
des Halbleiterbauelements befindlichen sperrenden PN-Übergang
im niedrig dotierten n-Gebiet eine so geringe Dotierung verwendet,
dass das elektrische Feld im Sperrfall bis zum rückseitigen p-Emitter durchgreifen
würde.
Dieser Felddurchgriff wird als Punch-Through bezeichnet und verringert
die Durchbruchsspannung. Feldstoppbauelemente haben zwischen dem
niedrig dotierten n-Gebiet (n-Basis) und dem rückseitigen p-Emitter die zusätzliche
etwas höher
n-dotierte Feldstoppzone, die das elektrische Feld über ihre
Dicke vollständig
abbaut, so dass der Punch-Through-Effekt sicher vermieden wird.
Feldstoppbauelemente können
zum Beispiel IGBTs, MCTs, GTOs, Thyristoren oder Bipolartransistoren
sein. Auch Dioden können
in dieser Art ausgelegt werden, wobei der rückseitige Emitter ein hochdotiertes
n-Gebiet ist. Die vorgelagerte Feldstoppzone verhindert in diesem
Fall das Eindringen der Raumladungszone in das hochdotierte Emittergebiet.
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Die
zum Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zitierte
US 5 723 349 A beschreibt
einen IGBT mit einer Feldstoppzone, die aus lateral abwechselnd
hoch und niedrig dotierten Gebieten besteht. Dabei wird durch die
hochdotierten Gebiete ein Punch-Through-Effekt
verhindert. Die
US-Patente
5 569 941 A und
5
751 023 A , beschreiben IGBTs mit Feldstoppzone, wobei zwischen
dieser und einem rückseitigen p-Emitter
zusätzliche
n
+-Gebiete angeordnet sind, die den Wirkungsgrad
des p-Emitters vor allem bei hohem Strom verringern sollen.
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DE 102 05 324 A1 beschreibt
einen IGBT, dessen Rückseitenemitter
eine homogene Feldstoppschicht vorgelagert ist. Für diesen
bekannten IGBT sagt diese Druckschrift im Abschnitt 14 und im Patentanspruch
9, dass es vorteilhaft ist, wenn die Spannung VA, bei der die Feldstoppschicht
und die Basisschicht einen Durchgriff beginnen bzw. erleiden, kleiner
als das 0,8-fache der Spannung VB beträgt, die durch den Lawinendurchbruch
eines bei der ersten Hauptfläche
des IGBTs vorhandenen pn-Übergangs
bestimmt ist.
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Bei
all diesen bekannten Halbleiterbauelementen wird das elektrische
Feld vollständig
in der Feldstoppzone abgebaut. Deshalb können sie weder eine Zerstörung des
Bauelements bei einer die zulässige
Betriebsspannung überschreitenden
Spannung am Bauelement verhindern, noch einen positiven differentiellen
Widerstand in der Durchbruchskennlinie erreichen.
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Bei
einer in
DE 198 23
944 A1 beschriebenen Leistungsdiodenstruktur bilden die
floatenden Gebiete
6 keine Feldstoppzone, da deren Leitungstyp
entgegengesetzt zum Leitungstyp des Halbleiterkörpers
1 ist.
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Ein
aus
US 5,352,910 A bekanntes
Leistungs-Halbleiterbauelement weist eine insofern inhomogen gestaltete
Feldstoppzone auf, dass in dieser Feldstoppzone z. B. streifenförmig abwechselnd
n
+ und n
–dotierte
Abschnitte vorhanden sind. Gemäß der Beschreibung
dieser Druckschrift in Spalte 10, Zeile 2 bis 9, blockiert diese
Feldstoppschicht ausreichend ein elektrisches Feld hoher Feldstärke, d.
h. das diese Feldstoppschicht keinen Durchgriff des elektrischen
Feldes im Sperrzustand zum Emitter hin gestattet.
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Ein
aus
DE 100 31 781
A1 bekanntes Halbleiterbauelement weist ähnlich wie
das in der oben zitierten
DE
102 05 324 A1 beschriebene Halbleiterbauelement eine diffundierte
Feldstoppzone auf. Die Dotierstoffkonzentration pro Flächeneinheit
in der Tail-Sperrschichtzone liegt zwischen einer minimalen und
einer maximalen Flächendichte,
wobei die maximale Dotierstoffkonzentration pro Flächeneinheit
in Abhängigkeit
von einer Abfalllänge
des Dotierprofils in der Tail-Sperrschichtzone und die minimale
Dotierstoffkonzentration pro Flächeneinheit
in Abhängigkeit des
Punch-Through-Grades gewählt
wird, der als Verhältnis
der Punch-Through-Spannung und der Lawinendurchbruchsspannung definiert
ist.
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WO 03/038860 A2 beschreibt
einen sogenannten Quick-Punch-Through-IGBT,
bei dem kein Durchgriff des elektrischen Feldes zum Emitter im Sperrzustand
möglich
ist, wie dies die
7A–
7C und die zugehörige Beschreibung auf den Seiten
10 und
11 dieser
Druckschrift zeigen.
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Eine
weitere bekannte Alternative sind Bauelemente ohne Feldstoppschicht,
zum Beispiel so genannte NPT-IGBTs (Non-Punch-Through-IGBTs), in denen das niedrig
dotierte n-Basisgebiet so dick gemacht wird, dass das elektrische
Feld in einem hinreichend großen
Abstand zum p-Emitter innerhalb des niedrig dotierten n-Basisgebiets
stoppt. Derartige Bauelemente erfordern aber bei gleicher Spannungsfestigkeit
eine deutlich größere Dicke
und weisen daher erheblich größere Durchlass-
und Schaltverluste auf. Allerdings weisen derartige NPT-IGBTs keinen negativen
differentiellen Widerstand der Durchbruchskennlinie auf.
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Die
nachveröffentlichte
DE 102 14 176 A1 (Infineon
Technologies AG) beschreibt ebenfalls ein Halbleiterbauelement mit
Feldstoppzone, die Unterbrechungen aufweist und die in einem bestimmten Abstand
vor einem n-dotierten rückseitigen
Emitter liegt. Die in den
1 bis
3 gezeigte
Feldstoppzone des aus dieser nachveröffentlichten Druckschrift bekannten
Halbleiterbaulements, das ein IGBT sein kann, sorgt durch ihre abschnittsweise Ausbildung
dafür,
dass durch die schwächer
dotierten Bereiche, das heißt
durch die Unterbrechungen "Durchlässe" für freie
Ladungsträger
vorhanden sind, um den Ladungsträgerstrom
in der Driftzone des Bauelements durch das Vorhandensein der Feldstoppzone
nicht oder nur unwesentlich zu beeinflussen.
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit Feldstopp
anzugeben, das die Spannung am Bauelement ohne zusätzliche
Beschaltung begrenzt und das einen negativen differentiellen Widerstand
der Durchbruchskennlinie vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Die
erfindungsgemäß gestaltete
Feldstoppzone lässt
einen Durchgriff des elektrischen Feldes durch den Feldstopp in
Richtung zum Emitter zu.
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Gemäß einem
ersten wesentlichen Aspekt ist ein die obige Aufgabe lösendes Halbleiterbauelement
mit einer vor einem Emitter eines ersten Leitungstyps in Richtung
zu einer mit Dotierstoff eines zweiten Leitungstyps niedrig dotierten
Basiszone lateral durchgehend ausgebildeten Feldstoppzone, die mit
Dotierstoff des zweiten Leitungstyps dotiert ist und insofern inhomogen
ausgebildet ist, dass sie Stellen mit einer höheren Dotierung pro Flächeneinheit
und Stellen mit einer niedrigeren Dotierung pro Flächeneinheit
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung pro Flächeneinheit
der geringer dotierten Stellen der Feldstoppzone kleiner als eine Differenz
aus der Durchbruchsladung und der in der Basiszone pro Flächeneinheit
vorhandenen Dotierung ist, so dass die Feldstoppzone im Sperrfall
des Halbleiterbauelements einen Durchgriff des elektrischen Feldes
in Richtung zum Emitter zulässt.
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Gemäß einem
zweiten wesentlichen Aspekt der Erfindung ist ein die obige Aufgabe
lösendes Halbleiterbauelement
mit einem vor einem Emitter eines ersten Leitungstyps in Richtung
zu einer mit Dotierstoff eines zweiten Leitungstyps niedrig dotierten Basiszone
ausgebildeten Feldstoppzone, die mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps
dotiert ist und insofern inhomogen ausgebildet ist, dass sie Stellen
mit einer höheren
Dotierung pro Flächeneinheit
und Stellen mit einer niedrigeren Dotierung pro Flächeneinheit
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppzone in der
Basiszone unmittelbar an den Emitter anschließt und dass die Stellen mit
der geringeren Dotierung pro Flächeneinheit
durch Unterbrechungen in der Feldstoppzone gebildet sind, wobei die
Dotierung an den Unterbrechungen mit der Dotierung der Basiszone übereinstimmt,
und dass die Dotierung pro Flächeneinheit
der Feldstoppzone insgesamt so gewählt ist, dass sie im Sperrfall
einen Durch griff des elektrischen Feldes in Richtung zum Emitter
zulässt.
Auf diese Weise wird die Abschaltüberspannung auf den Wert begrenzt,
bei dem das elektrische Feld aufgrund des Durchgriffs zum Emitter
den von den Streuinduktivitäten
erzwungenen Strom generiert. Da der Strom beim Durchgreifen des elektrischen
Feldes nicht plötzlich
sondern erst allmählich
mit zunehmender Spannung ansteigt, ergibt sich eine Durchbruchskennlinie
mit positivem differentiellem Widerstand, so dass die Durchbruchsspannung
des Halbleiterbauelements problemlos gemessen werden kann, ohne
dass dieses zerstört wird.
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Die
nachstehende Beschreibung beschreibt Bezug nehmend auf die Zeichnung
mehrere einen vertikalen IGBT und eine vertikale Diode betreffende Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
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1A einen
schematischen Querschnitt durch einen vertikalen IGBT als nicht
zur Erfindung gehörendes
Vergleichsbeispiel, bei dem die Feldstoppschicht so ausgebildet
ist, das das elektrische Feld beim Anlegen der höchsten zulässigen Spannung oder der Durchbruchsspannung
nicht vollständig
innerhalb der Feldstoppschicht abgebaut wird;
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1B graphisch
die Feldverteilung in dem in 1A gezeigten
IGBT im Sperrfall, wobei mit gestrichelter Linie die Feldverteilung
in einem bekannten IGBT dargestellt ist;
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2 in
schematischem Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten
IGBT mit unterbrochener (inhomogener) Feldstoppschicht;
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3 schematisch
im Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß gestalteten IGBTs
mit an definierten Stellen niedriger dotierter Feldstoppschicht;
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4 schematisch
im Querschnitt ein Beispiel eines in der nachveröffentlichten
DE 102 14 176 A1 beschriebenen
IGBTs mit abschnittsweise unterbrochener Feldstoppschicht, die als
vergrabene Schicht realisiert ist;
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5 schematisch
im Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß gestalteten
IGBTs mit unterbrochen eingebrachter aber zusammen diffundierter
vergrabener Feldstoppschicht und
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6 schematisch
im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
dass sich auf eine erfindungsgemäß gestaltete
vertikale Diode mit unterbrochener Feldstoppschicht bezieht.
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Bei
dem in 1A in schematischem Querschnitt
dargestellten Vergleichsbeispiel eines mit 10 bezeichneten
vertikalen IGBTs liegen auf der Vorderseite eines Halbleiterkörpers p-Bodyzonen 12, n-Sourcebereiche 19 innerhalb
der p-Bodyzonen 12 und eine Gateelektrode 15,
die durch ein Gateoxid 16 von den Sourcebereichen 19 und
den p-Bodyzonen 12 getrennt ist. Schließlich ist die Vorderseite mit
einer Vorderseitenmetallisierung 17 versehen. In der Tiefe
des Halbleiterkörpers
ist eine n-Basis 11 gebildet. Auf der Rückseite des IGBTs ist ein p-Emitter 13 und
vor diesem in Richtung der n-Basis eine n-Feldstoppzone 14 gebildet.
Die Rückseite
weist ferner eine den p-Emitter 13 bedeckende Rückseitenmetallisierung 18 auf.
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In 1B ist
durch eine mit a bezeichnete ausgezogene Linie die Feldverteilung
der elektrischen Feldstärke
im Sperrfall des IGBT 10 dargestellt, während die durch die gestrichelt
gezeichnete Linie b dargestellte Feldverteilung einen anderen IGBT
charakterisiert, bei dem das elektrische Feld im Sperrfall vollständig in
der Feldstoppzone 14 abgebaut wird.
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Um
den durch die durchgezogene Linie a repräsentierten Verlauf der Feldverteilung
zu erreichen, ist die n-Feldstoppzone 14 so gestaltet,
dass beim Anlegen der höchsten
zulässigen
Spannung oder der Durchbruchsspannung das elektrische Feld nicht vollständig innerhalb
der Feldstoppzone 14 abgebaut wird. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass bei der homogen ausgebildeten Feldstoppzone 14 deren Dotierung
pro Flächeneinheit
kleiner als die Differenz aus der Durchbruchsladung und der im niedrig
dotierten n-Basisgebiet 11 pro Flächeneinheit vorhandenen Dotierung
ist.
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Bei
dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen IGBTs
ist die Feldstoppzone 14 ebenfalls so gestaltet, dass beim
Anlegen der höchsten
zulässigen
Spannung das elektrische Feld nicht vollständig innerhalb der Feldstoppzone
abgebaut wird, so dass die in 1B mit
a bezeichnete Feldverteilung im Sperrfall erreicht wird. Die Feldstoppzone 14 ist
mit einer stärkeren n-Dotierung
als die Feldstoppzone 14 gemäß 1A ausgestattet,
ist jedoch nicht ganzflächig
oder homogen eingebracht, sondern mit Unterbrechungen U. Bei dem
ersten in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
fehlt die Feldstoppzone 14 an den Unterbrechungen U gänzlich,
während
bei dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
die Feldstoppzone 14 zwar durchgehend vorhanden ist, aber
in dem mit einem gestrichelten Kreis markierten Abschnitt D, wie
bei dem ersten anhand der 1A erläuterten
Beispiel in ihrer Dotierung pro Flächeneinheit kleiner als die
Differenz aus der Durchbruchsladung und der in dem niedrig dotierten Basisgebiet 11 pro
Flächeneinheit
vorhandenen Dotierung ist.
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Nach
dem oben Gesagten wird auch bei dem in 3 dargestellten
zweiten Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen IGBTs 10 das
elektrische Feld nicht vollständig
innerhalb der Feldstoppzone 14 abgebaut.
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Bei
dem in 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen IGBTs 10 bildet
die Feldstoppzone 14 eine vergrabene Schicht, das heißt dass
sie zum n-Basisgebiet 11 hin gesehen in einem definierten
Abstand d vom p-Emitter 13 eingebracht ist. Bei dem in 4 gezeigten
und nicht von der Erfindung umfassten Beispiel ist die vergrabene
und abschnittsweise unterbrochene Feldstoppzone 14 in einem
bestimmten Abstand d vor dem Rückseitenemitter 13 eingebracht
und weist ähnlich wie
bei dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
Unterbrechungen U auf, bei denen die Feldstoppschicht 14 gänzlich fehlt.
Dagegen ist bei dem in 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel
durch eine seitliche Diffusion innerhalb des durch einen gestrichelten
Kreis umrahmten Abschnitts D die Dotierung pro Flächeneinheit
kleiner gemacht ist als die Differenz aus der Durchbruchsladung
und der in dem niedrig dotierten Basisgebiet 11 pro Flächeneinheit
vorhandenen Dotierung. Bei dem in 5 gezeigten
dritten Ausführungsbeispiel
liegt die als vergrabene Schicht gebildete Feldstoppzone 14 ebenfalls
in bestimmtem Abstand d vor dem Rückseitenemitter.
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In
allen weiteren Merkmalen stimmen die oben anhand der 2, 3 und 5 beschriebenen
Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen IGBTs überein.
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Hier
muss erwähnt
werden, dass ein erfindungsgemäßes Feldstoppbauelement
mit Felddurchgriff in Richtung zum Emitter selbstverständlich nicht nur
ein IGBT sein kann. Andere Feldstoppbauelemente mit erfindungsgemäß gestalteter
Feldstoppzone können
IGBTs, MCTs, GTO, Thyristoren und auch Bipolartransistoren sein.
Ferner können
auch Dioden in dieser Art ausgelegt werden, wobei der p-Emitter auf
der Rückseite
durch ein hoch dotiertes n-Gebiet ersetzt wird.
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In 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines als Diode 20 gestalteten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
dargestellt. Die in 6 dargestellte erfindungsgemäße Diode 20 weist
auf der Vorderseite eines eine Basiszone 21 bildenden Halbleiterkörpers einen
p-Emitter 22 und eine Vorderseitenmetallisierung 27 über dem
p-Emitter 22 auf. Um den Durchgriff des elektrischen Feldes
in Richtung zum Rückseiten-n-Emitter 23 zu
erreichen, weist die in 6 dargestellte Diode 20, ähnlich wie
der in 2 dargestellte erfindungsgemäße IGBT 10 Unterbrechungen
U in der unmittelbar an den n-Emitter 23 anschließenden n-Feldstoppzone 24 auf,
wobei die Dotierung an den Unterbrechungen U mit der Dotierung der
Basiszone 21 übereinstimmt
und die Dotierung der Feldstoppzone 24 insgesamt so gewählt ist,
dass sie im Sperrfall einen Durchgriff des elektrischen Feldes in
Richtung zum Emitter 23 zulässt.
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Die
erwähnte
durch die Unterbrechung U unterbrochene n-Feldstoppzone 24 liegt vor
dem n-Emitter 23 in Richtung auf ein n-Basisgebiet 21 gesehen.
Dabei ist der rückseitige
n-Emitter 23 stellenweise,
zum Beispiel gerade an den Unterbrechungsstellen U durch ein p-Gebiet 25 ersetzt.
Auf der Rückseite
der Diode 20 befindet sich ferner ein Rückseitenmetall 28.
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Den
einschlägigen
Fachleuten ist ohne weiteres einsichtig, dass eine erfindungsgemäß gestaltete
Feldstoppzone auch bei lateralen Feldstoppbauelementen realisiert
werden kann.
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Mit
der erfindungsgemäß gestalteten
Feldstoppzone eines Feldstoppbauelements ist es vorteilhafterweise
möglich,
dass die Spannung am Bauelement ohne zusätzliche Beschaltung begrenzt
ist und dass die Durchbruchskennlinie bis zu relativ großen Strömen einen
positiven differentiellen Widerstand aufweist.
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- 10
- IGBT
- 11
- n-Basisgebiet
- 12
- p-Bodyzone
- 13
- p-Emitter
- 14
- n-Feldstoppzone
- 15
- Gate
- 16
- Oxid
- 17
- Vorderseitenmetall
- 18
- Rückseitenmetall
- 19
- n-Source
- 20
- Diode
- 21
- n-Basisgebiet
- 22
- p-Emitter
- 23
- n-Emitter
- 24
- n-Feldstoppschicht
- 25
- p-Emittergebiet
- 27
- Vorderseitenmetall
- 28
- Rückseitenmetall
- a
- Feldverteilung
im Sperrfall eines erfindungsgemäßen IGBT
- b
- Feldverteilung
im Sperrfall eines herkömmlichen
IGBT
- U
- Unterbrechungsstelle
- D
- seitliches
Diffusionsgebiet