DE1209211B

DE1209211B - Steuerbares Halbleiterbauelement mit mindestens drei pn-UEbergaengen und mit einer Steuerelektrode

Info

Publication number: DE1209211B
Application number: DES78683A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Goetz Von Bernuth; Dr Phil Joachim Pfaffenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-03-27
Filing date: 1962-03-27
Publication date: 1966-01-20

Description

Steuerbares Halbleiterbauelement mit mindestens drei pn-Übergängen und mit einer Steuerelektrode Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau eines steuerbaren Halbleiterbauelements mit mindestens drei pn-Übergängen und mit einer Steuerelektrode, welche mindestens in einer Aussparung einer stromführenden Elektrode von größerer Fläche liegt, und welches im Sinne eines elektrischen Schalters nach Art eines Stromtores steuerbar ist.
Es ist in dieser Hinsicht bekanntgeworden, auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers eine kreisllächenförmiGe Hauptelektrode vorzusehen und diese an ihrer Randzone mit einer von ihrem Umfang ausgehenden kreisflächenförmigen Aussparung zu versehen sowie in dieser Aussparung eine kreisflächenförmige Steuerelektrode anzubringen.
Ein solcher Aufbau und eine solche gegenseitige Zuordnung der Haupt- und der Steuerelektrode ergeben unter Berücksichtigung der elektrischen Bedingung, daß zwischen der Steuerelektrode und der Hauptelektrode betriebsmäßig nur ein relativ geringer Steuerstrom fließt, eine vorteilhafte Ausnutzung der Oberfläche des Halbleiterkörpers für die Unterbrin'.'un@@ der Hauptelektrode, so daß zwischen den Hauptelektroden, welche auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers liegen, eine Strombahn relativ großen Querschnitts gewonnen wird. Die gegenseitige Zuordnung der Steuerelektrode und der Hauptelektrode können dabei derart sein, daß ein oder mehrere Umfangsteile der Steuerelektrode gar nicht mehr Umfangsteilers der Hauptelektrode gegenüberliegen, weil eben auch in diesem Fall noch ein ausreichender Stromweg zwischen Steuerelektrode und Hauptelektrode für den Steuerstrom gewährleistet ist.
Immerhin ist es erwünscht, daß das Ansprechen des Stromtores möglichst ohne Zeitverzögerruncr erfolgt, und hierfür ist es bei anderen Aufbauformen von Halbleiterstromtoren, bei denen an der einen Oberfläche eine kreisflächenförmige Gegenelektrode einer kreisflächenförmigen Steuerelektrode gegenüberliegt, vorgeschlagen worden, der Hauptelektrode und der Steuerelektrode eine solche Form zu geben und sie in der Weise einander zuzuordnen, daß ein zwischen diesen Elektroden fließender Strom das Halbleitermaterial mit einer stark inhomoaenen Stromdichte durchsetzt.
Es ist zu diesem Zwecke beispielsweise vorgeschlagen worden, die kreisflächenförmige Hauptelektrode in bezug auf die Scheibenform des Halbleiterkörpers exzentrisch anzuordnen und sie mit einer von der Umfangsform ausladenden dreieckförmIgen Nase auszustatten, deren Spitze eine kreisflächenförmige Steuerelektrode gegenüberliegt. Bei einer solchen Aufbauform ergibt sich aber offenbar eine nicht so -iinstiae Ausnutzung der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers für die Unterbringung einer möglichst -roßflächiaen Hauptelektrode, wie sie an sich sonst zur Erzielung e;nes großen Querschnitts für den Stromiibergang zwischen den beiden Hauptelektroden an einem solchen Halbleiterkörper erreicht werden könnte.
Ziel der Erfindung ist die Errreichuna eines schnellen, eindeutigen Einsatzes einer gesteuerten Einleituna der Stromführung über die Hauptelektroden des Halbleiterbauelements an bestimmten Stellen derselben und die schnelle Ausbreitung der Übernahme der Stromführung über die gesamte Flächenausdehnung der Hauptelektrode, welche sich mit der Steuerelektrode an der gleichen Oberfläche des Halb- leiterkörpers befindet.
Bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement der eingangs angeführten Art weist erfindungsaemä ß hierfür die Steuerelektrode und/oder die stromführende Elel.:trode in ihrer Aussparung Randteile mit stärkerer Krümmung als die anderen verbleibenden Randteile auf, so daß sich eine inhomogene Stromverteilung zwischen der Steuerelektrode und der stromführenden Elektrode ergibt. Dieser Effekt läßt sich erreichen, wenn der Umfang der Steuerelektrode an denjenigen Teilen, welche dem Umfang der Aussparung der Hauptelektrode gegenüberliegen, aus gekrümmten oder aus geradlinigen Teilen zusammengesetzt und die Anordnung Gewährleistet ist, daß Teile stärkerer Krümmung an dieser Umfangsform vorhanden sind, als sie eben, wie angegeben, z. B. durch die Kreisflächenform vorgegeben wäre. So kann beispielsweise eine Elektrode benutzt werden, die eine elliptische Form aufweist und die Hauptachse dieser Ellipse entweder in einer Verlängerung durch den Mittelpunkt der Kreisflächenform der Hauptelektrode hindurch verläuft oder auch in Richtung einer Sehne der Umfangsform der Hauptelektrode liegen kann.
Es liegt jedoch auch im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung, die Stellen scharfer Krümmung so weit zu steigern, daß sie jeweils durch die Ecke einer gebrochenen Linie gegeben ist. Daher kann in weiterer Ausbildung der Erfindung die Steuerelektrode vollständig oder zum Teil eine vieleckige Umfangsform besitzen. Bei dieser Vieleckform hat man es dann in der Hand, eine beliebige Anzahl dieser Ecken mit der Umfangsform der Aussparung der Hauptelektrode zusammenwirken zu lassen.
Es liegt aber auch im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung, der Steuerelektrode eine regelmäßige Umfangsform zu geben und an dem Umfang der Aussparung der Hauptelektrode entsprechende Stellen stärkerer Krümmung vorzusehen, die dann der regelmäßigen in die Aussparung eintauchenden Umfangsform der Steuerelektrode gegenüberliegen, um in der erwünschten Weise vorzubeugen, daß der Zeitpunkt der Zündung des Stromtores oder vollen Stromtragfähigkeit eine unerwünschte Verzögerung erfährt.
Es können auch sowohl an der Umfangsform der Aussparung der Hauptelektrode als auch an der Umfangsform der Steuerelektrode entsprechende Stellen stärkerer Krümmung vorgesehen werden, so daß also jede der Umfangsformen der beiden Elektroden einen entsprechenden Beitrag zur Erzeugung einer inhomogenen Stromverteilung im Übergang zwischen den Umfangsformen der beiden einander zugeordneten Elektroden liefert.
Bekannt war ferner bei einem Transistoraufbau eine Elektrode im Sinne einer Emitter- oder Basiselektrode zu unterteilen in parallel zueinander verlaufende, elektrisch parallelgeschaltete streifenförmige Einzelelektroden auf entsprechenden eindotierten Bereichen des Halbleiterkörpers, die auch an gleichen Enden mittels eines durchgehenden Steges verbunden sein konnten, so daß sie gewissermaßen kammartig ineinandergreifen, oder ringförmige einander umschließenden Elektroden auf entsprechenden, einander umschließenden Zonen entsprechenden elektrischen Leitungstyps anzuordnen und dann parallel zu schalten. Hierbei hat es sich um die Erreichung einer günstigen Trägerinjektion aus dem Emitter gehandelt, um den Elektroden nur eine solche Breite zu geben, die in bestimmter Beziehung zur Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger steht.
Bei einer bekannten Transistoranordnung war in einem Halbleiterkörper vom n-Leitungstyp eine streifenförmige Aushöhlung mit einem Halbleitermaterial gleichen Leitungstyps, jedoch geringerer Leitfähigkeit und von einer nur anteiligen Länge der gesamten Längsausdehnung dieser Seitenfläche, etwa in deren Mitte verlaufend und sich bis in eine dazu senkrecht stehende Seitenfläche erstreckend, vorgesehen, auf welcher die metallische Basiselektrode aus Kupfer oder Rhodium angebracht war. Auf diesen Streifenteil geringerer Leitfähigkeit waren die beiden Spitzenelektroden aus Phosphorbronze aufgesetzt, welche als Emitter bzw. als Kollektor wirkten. Es war ferner bei legierten Halbleiterbauelementen zur Erzielung einer großflächigen Elektrode mit vorbestimmter Gesamtfläche bekannt, solche kleinflächigeren Teilelektrodenkörper auf den Halbleiterkörper aufzubringen, in ihn einzulegieren und dann elektrisch parallel zu schalten, daß die mechanischen Spannungen zwischen Halbleiterkörper und Elektrodenmaterialkörper bei den einzelnen Teilelektroden nach dem Erstarren so gering bleiben, daß keine Abhebungserscheinungen des Elektrodenmaterials vom Halbleitermaterial entstehen können.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
Die F i g. 1 und 2 zeigen in zwei einander entsprechenden Rissen, nämlich im Aufriß und Grundriß, einen Halbleiterkörper 1, der an seiner unteren Fläche mit einer einlegierten Elektrode 2 und an seiner oberen Fläche mit zwei einlegierten Elektroden 3 und 4 versehen ist, wobei 3 die Hauptelektrode und 4 die Steuerelektrode bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 besteht z. B. aus n-leitendem Silizium. In diesem ist zunächst durch einen Eindiffusionsprozeß eine Mantelzone 1 b von schwacher p-Leitfähigkeit erzeugt worden, so daß von dem ursprünb lieh n-leitenden Silizium nur noch eine Zone 1a vorhanden ist. Von der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers aus ist dann in den Halbleiterkörper 1 ein Graben 5 eingearbeitet worden, der sich bis in die n-leitende Zone 1 a hinein erstreckt. Auf diese Weise sind aus der ursprünglichen p-leitenden Mantelzone 1 b zwei getrennte Zonen 1 b' und 1 b" erzeugt worden. Die einlegierte Hauptelektrode 3 besteht aus einem solchen Legierungsmetall, das sich bei der Einlegierung der Elektrode ein n-leitender Bereich ergibt, der zusammen mit dem p-leitenden Bereich l b' einen pn-Übergang bildet. Die Elektrode 4 besteht dagegen aus einem solchen Elektrodenmaterial, daß sie mit der Zone 1 b' einen ohmschen Kontakt eingeht. Wie aus der Grundrißdarstellung nach der F i g. 2 zu entnehmen ist, hat die Hauptelektrode 3 am Rande eine konkave Aussparung 6 von Kreisflächenform, innerhalb welcher teilweise die Steuerelektrode 4 liegt. Diese Steuerelektrode 4 ist an ihrer Umfangsform mit dreieckförmigen Ausladungen 7 versehen, deren Spitzen der Umfangsform 6 der Hauptelektrode 3 gegenüberliegen. Auf diese Weise wird im angegebenen Sinne erreicht, daß eine inhomogene Stromverteilung im Stromweg zwischen den Umfängen der Elektroden 3 und 4 vorhanden ist, so daß eine bevorzugte Einleitung der Zündung des Stromtores durch den Stromübergang zwischen den Spitzen der Steuerelektrode bzw. den stärker gekrümmten Umfangsteilen der Steuerelektrode und der Hauptelektrode erfolgt. Gleichzeitig sind aber die Oberfläche und das Volumen des Halbleiterkörpers in weiter gehender Weise vorteilhaft ausgenutzt, damit sich eine Strombahn möglichst großen Querschnittes zwischen den beiden Hauptelektroden 2 und 3 des Halbleiterstromtores ergibt.
In der Abwandlung gemäß der F i g. 3 der Zeichnung ist für die Steuerelektrode 8 eine rechteckige Flächenform benutzt, von welcher zwei der Ecken der kreisförmigen Umfangsform 6 der Hauptelektrode gegenüberliegen.
Wie die F i g. 4 zeigt, kann statt dessen auch eine solche gegenseitige Zuordnung zwischen einer Steuerelektrode von rechteckigem Querschnitt 9 stattfinden, daß die Ecken der kürzeren Seite des Rechtecks der kreisförmigen Umfangsform der Aussparung 6 der Hauptelektrode 3 gegenüberliegen.
Nach der F i g.5 @ hat der Eleltroden%örper der Steuerelektrode 10 die Umfangsform eines nleicliseitigen Dreiecks. Von dieser liegen die zwei Ecken einer Seite des Dreiecks der Umfangsform 6 der Aussparung der Hauptelektrode gegenü'oer.
Nach der F i ;r. 6 ist die Dreieckform 11 der Steuerelektrode in gegenüber derjenigen nach der Fig.5 abweichender Weise der Umfan «sforrii 6 der Hauptelektrode zu,:eordnet, nämlich derart, daß alle drei Ecken des gleichseitigen Dreiecks der regelmäßigen Umfangsform 6 der Aussparung gegenüberliegen. In diesem Fall ist außerdem noch Nutzen daraus gezogen worden, daß sich bei der Anbringuna einer solchen kreisflächenförmi,ren Aussparung 6 vom Umfang der Hauptelektrode 3 in deren Kreisflächenform hinein zwei scharfe Ecken an den Schnittstellen der beiden Kreisformen ergeben. Diesen beiden scharfen Ecken, die sich als Schnittlinien von 6 und der Umfangsform von 3 ergeben, liegen zwei der Ecken des gleichseitigen Dreiecks 11 gegenüber.
Die F i g. 7 und 8 veranschaulichen Ausführungsformen unter Anwendung der Erfindung, v#=obei nach der F i-. 7 die Steuerelektrode 12 eine Trapezform, die Steuerelektrode 13 nach der F i g. 8 die Umfangsform eines Sechskantes besitzt.
Nach der F i (y. 9 ist die Aussparung der Hauptelektrode 3 nicht mehr derart gewählt, daß sie durch einen Kreisbogen bestimmt ist, sondern diese Umfangsform 14 der Aussparung ist rommehr mit drei Spitzen 15 bis 17 versehen worden, und in der Aussparung selbst ist eine Steuerelektrode 1$ von rhombischer Umfaii"sform angeordnet.
Nach der F i g. 10 ist die Hauptelektrode 3 mit einer vieleckigen Aussparung 19 versehen, und in diese Aussparung ist eine Elektrode 20 von rhombischer Flächenform angeordnet, wobei die Ecken dieses Rhombus entsprechenden Ecken der Vieleckform 19 gegenüberliegen.
Nach der F i a. 11 ist in der Kreisfläche der Hauptelektrode 3 am Umfang eine trapezförmige Aussparung 21 vorgesehen. In dieser Aussparung ist eine vieleckige Steuerelektrode 22 von rhombischer Form derart angeordnet, daß zwei ihrer Ecken den Spitzen 23 bzw. 24 der Hauptelektrode in deren Kreisumfang gegenüberliegen und eine ihrer Spitzen der größeren Grundlinie 25 der trapezförmigen.Aussparung gegenüberliegt.
Die F i g. 12 veranschaulicht eine Lösungsform, nach welcher die vom Umfang in die geometrische Grundform der Hauptelektrode 26 eingreifende Steuerelektrode 27 eine regelmäßige kreisförmige Umfangsform besitzt, während nunmehr der innere Umfang der Aussparung von 26 mit Spitzen 28 versehen ist, die dem Umfang der Steuerelektrode 27 gegenüberliegen.
Wenn der Gegenstand der Erfindung auch in Verbindung mit einer Anordnung beschrieben ist, bei welcher der Hauptelektrode nur eine Steuerelektrode zugeordnet ist, so ist die Erfindung jedoch auf die Anwendung bei einer solchen Ausführung nicht beschränkt, sondern auch dann geeignet, wenn gegebenenfalls einer Hauptelektrode an der gleichen Oberfläche des Halbleiterelements mehrere solche Steuerelektroden zugeordnet sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit mindestens drei pa-übergängen und mit einer Steuerelektrode, welche illindesiens iri einer Aussparang einer siroinfahrenden Elektrode von größerer Fläche ließt, dadurch gekennzeichn e t, daß die Steuerelektrode -Lind 'oder die stromführende ElelLt<-ode in ihrer Aussparung Randteile mit stärkerer Krümmung als die anderen verbleibenden Randteile aufweist, so daß sich eine inhomogene Stromverteilung zwischen der Steuerelektrode und der stromführenden Elektrode ergibt. ". Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch l., dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kreisförmigen Aussparung in dem Rand der stromführenden Elektrode die Steuerelektrode an ihrem dem Rand der Aussparung der stromführenden Elektrode gegenüberliegenden Rand mit einem oder mehreren Vorsprüngen versehen ist. 3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer kreisförmigen Aussparung in dem Rand der stromführenden Elektrode die Steuerelektrode eine Vieleckform besitzt. d.. Steuerbares Halbleiteibauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode ein. viereckiges Polygon ist, welches mit zwei Ecken und bei Rechteck-form mit zwei Ecken der kürzeren oder der längeren Rechteckseite dem kreisförmigen Umfang der Hauptelektrode gegenüberliegt. _5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspilich 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kreisförmiger Aussparung an der Hauptelektrode deren Umfangsform eine Steuerelektrode von Trapezforin derart gegenüberliegt, daß die Enden der längeren Grundlinie der Trapezform den Schnittpunkten der Umfangsform der Aussparung und der kreisförmigen Umfangsform der Hauptelektrode gegenüberliegen und die Ecken der kürzeren Grundlinie der Trapezform dem Bogenteil der Aussparung der Hauptelektrode gegenüberliegen. 6. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmigen Aussparung der Hauptelektrode eine Steuerelektrode von Dreieckform gegenüberliegt, wobei die Spitze des Dreiecks der Aussparung abgewandt oder- dieser zugewandt liegen kann, und im letzteren Fall die Ecken der Grundlinie des Dreiecks wieder den scharfen Kanten der Hauptelektrode gegenüberliegen können, welche durch den Schnitt zwischen dem Umfang der Aussparung und dem Umfang der Elektrode entstehen. 7. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß einer kreisförmigen Ausspailing der Hauptelektrode an ihr--in gesamten Umfang oder einem Teil desselbea eine vieleckige Stetierelelrtr:2,de gegenüberliegt. B. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Aussparung der Hauptelektrode ein Körper von Rhombusform oder eines schiefwinkeligen Parallelogramms angeordnet ist, wobei vorzugsweise drei Ecken dieser geometrischen Formen mit dem Umfang einer Aussparung an der Hauptelektrode zusammenwirken. 9. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Ecken der Rhombus- oder Parallelogrammform vorzugsweise besondere Spitzen in der Aussparung der Hauptelektrode zusammenwirken. 10. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Steuerelektrode von Kreisflächenform der Umfang einer Aussparung der Hauptelektrode zusammenwirkt, der mit Vorsprüngen stärkerer Krümmung versehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1106 876; französische Patentschriften Nr. 1024 032, 1220840.