DE1214790C2 - Leistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkoerper und vier Schichten abwechselnden Leitfaehigkeitstyps - Google Patents

Leistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkoerper und vier Schichten abwechselnden Leitfaehigkeitstyps

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DE1214790C2 DE1962S0081478 DES0081478A DE1214790C2 DE 1214790 C2 DE1214790 C2 DE 1214790C2 DE 1962S0081478 DE1962S0081478 DE 1962S0081478 DE S0081478 A DES0081478 A DE S0081478A DE 1214790 C2 DE1214790 C2 DE 1214790C2
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Description

einen vorbestimmten Stromwert gebunden ist. Auf Der Thyristor gemäß Fig. 1 kann z.B. aus einer
diese Weise können die Leistungsgrenzen des Thyristors als Ausgangskörper dienenden einkristallinen Platte erhöht werden, insbesondere die Stabilität des Kipp- oder Scheibe von schwachdotiertem Silizium mit Vorganges, der bekanntlich durch Impulsgabe z. B. einer Donatorenkonzentration von 1015 cm"3 oder über einen Hilfskontakt gesteuert werden kann. 5 weniger, z. B. etwa 1014 cm~3, hergestellt sein, von
Es ist zwar aus der Zeitschrift »IRE Transactions dem ein unverändert bleibender Teil am fertigen on Electron Devices«, Januar 1958, S. 2 bis 5, ein Thyristor die η-Basis bildet. Der Deutlichkeit halber Halbleiterbauelement bekanntgeworden, bei dem die ist in der Zeichnung ein stark vergrößerter und beStromverstärkungen beider Teiltransistoren abhängig züglich des Verhältnisses der Dicke zur Breite bzw. von der Stromdichte einen bestimmten Verlauf zei- io zum Durchmesser verzerrter Maßstab gewählt worgen. Der Wert der Stromdichte, 'bei dem der eine den. Die wirklichen Abmessungen einer praktisch Stromverstärkungsfaktor gegen eins ansteigt, liegt verwendeten Scheibe waren 18 mm Durchmesser und jedoch um etwa drei Zehnerpotenzen höher als bei 0,3 mm Dicke. In diese Scheibe wurde allseitig der Erfindung. Zur Lösung der der vorliegenden Gallium aus der Gasphase eindiffundiert, bis die Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sind der Ent- 15 Scheibe von einer p-leitenden Schicht überzogen war. gegenhaltung keinerlei Anregungen zu entnehmen. Statt Gallium kann unter anderem Aluminium oder In der gleichen Zeitschrift in S. 13 bis 18, ist ein Bor dazu verwendet werden. Ein besonders gutes Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem die Ergebnis wurde durch einen zweistufigen Diffusions-Summe der Stromverstärkungsfaktoren bei einem prozeß erzielt, wobei in der ersten Stufe Gallium und bestimmten Stromwert steil gegen eins ansteigt. 20 in der zweiten Stufe Aluminium zum Dotieren be-Dieser Entgegenhaltung lassen sich jedoch weder die nutzt wurde.
Verläufe der einzelnen Teilstromverstärkungsfaktoren Anschließend wurden in einem einzigen Arbeits-
noch konkrete Werte entnehmen. gang auf der einen Seite (rechts in Fig. 1) zur
Zur Erzielung des gewünschten Verlaufs der bei- Schaffung des p-Emitters und des Kontakts K2 eine den Stromverstärkungsfaktoren kann es wesentlich 25 etwa die ganze Fläche bedeckende Aluminiumfolie , beitragen, wenn man die Dotierungskonzentration und auf der anderen Seite (links in Fig. 1) zur der zweiten Schicht in einem der ersten Schicht be- Schaffung des Steuerkontakts S eine kleine Ronde, nachbarten Teilbereich zu etwa 1017cm~3 wählt, ebenfalls aus Aluminiumfolie, gestanzt, sowie zur während sie in einem der dritten Schicht benachbar- Schaffung des η-Emitters und des Kontakts K1 eine ten Teilbereich etwa drei Zehnerpotenzen niedriger 30 ringförmige Goldfolie mit etwa 0,5 °/o Antimongehalt ist. einlegiert. Die beiden Emitter bestehen dabei aus
Ist also beispielsweise die zweite Schicht des Halb- Rekriställisationsschichten mit entsprechend hohen leiterkörpers p-leitend (p-Basis) und höher dotiert Dotierungskonzentrationen, die Kontakte aus Legieals die η-leitende dritte Schicht (η-Basis), was nor- rungen der betreffenden Metalle mit Silizium im malerweise bei Thyristoren der Fall ist, die aus 35 eutektischen Verhältnis. Durch passende Wahl der n-Silicium hergestellt sind, so soll der Einfangquer- Foliendicken kann bei gegebener Legierungstempeschnitt der eingebrachten Rekombinationszentren für ratur von etwa 800° C ein Verhältnis der Eindring-Elektronen wesentlich größer sein als für Defekt- tiefen bzw. Legierungstiefen erzielt werden, das elektronen; in diesem Fall sind ja die Elektronen die qualitativ der Darstellung in Fig. 1 entspricht, näm-Minoritätsträger im höher dotierten p-leitenden Ge- 40 lieh so, daß die p-leitende Diffusionsschicht auf der biet. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Unterseite durch den Legierungsprozeß vollständig dieses Beispiel, bei dem also die p-Basis höher dotiert erfaßt ist, auf der Oberseite hingegen nur ein Teil ist als die η-Basis. Ist umgekehrt die zweite Schicht der Diffusionsschicht, während der restliche Teil der des Halbleiterkörpers η-leitend und höher dotiert als letzteren als p-Basis bestehen geblieben ist. Damit die p-leitende dritte Schicht, so soll der Einfang- 45 diese mit dem p-Emitter keine niedrigohmige Verquerschnitt der eingebrachten Rekombinationszentren bindung hat, ist die Diffusionsschicht durch einen für Defektelektronen wesentlich größer sein als für ringförmigen Graben G unterbrochen, der vor oder Elektronen. nach dem Legierungsprozeß durch mechanische bzw.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher chemische Bearbeitung hergestellt werden kann. Das erläutert werden. Die 50 Bauelement kann in an sich bekannter Weise mit
F i g. 1 zeigt das Querschnittsprofil eines Thyristors einem Oberflächenschutz, z. B. Oxydschicht oder aus Silicium als Beispiel und eine Grundschaltung, Lackschicht, versehen und in einem Gehäuse im in der ein solcher als gesteuerter Gleichrichter ver- Vakuum oder unter Schutzgas gekapselt sein,
wendet werden kann; An die beiden Emitter bzw. an die Kontakte K1
F i g. 2 enthält ein Schema eines Thyristors, das als 55 und K2 kann ein Laststromkreis angeschlossen sein, Ausschnitt aus dem in F i g. 1 dargestellten Thyristor der nach F i g. 1 eine Wechselspannungsquelle A und aufgefaßt werden kann; einen Verbraucher V enthalten kann. Der Steuer-
F i g. 3 ist ein Diagramm der Dotierungskonzen- Stromkreis, enthaltend eine Steuerspannungsquelle, tration in den vier verschiedenen Schichten des Thy- ζ. B. eine Batterie B und ein HilfsSteuerelement oder ristors, aufgetragen über der Dicke dieser Schichten 60 Hilfsschaltelement H, ist einerseits an den Steuerais Ortskoordinate; in der kontakt S und somit an die p-Basis, andererseits an
F i g. 4 ist das typische Kennliniendiagramm eines den benachbarten Emitter, also an den n-Emitter, Thyristors aus Silicium dargestellt, in welchem die über den Kontakt K1 angeschlossen. Er ist in Durchmit der Erfindung erzielte Verbesserung durch Vari- laßrichtung des pn-Übergangs zwischen diesen beianten wiedergegeben wird; die 65 den Bereichen gepolt. Als Durchlaßrichtung des gan-
Fig. 5a und 5b schließlich zeigen den Verlauf zen Thyristors wird die Richtung vom p-Emitter zum der Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit von der η-Emitter bezeichnet. Wird das Hilfsschaltelement H Strombelastung. synchron zur Wechselspannung von A so gesteuert,
daß in jeder positiven Halbwelle ein Steuerimpuls vom p-Emitter zur η-Basis, beansprucht werden, dem Steuerkontakt des Thyristors zugeführt wird, so Demgegenüber sind im ersten Quadranten rechts fließt im Verbraucherstromkreis Gleichstrom. Durch oben zunächst die Kennlinien der Spannung U in Veränderung der zeitlichen Lage der Impulse inner- Durchlaßrichtung des Thyristors, d. h. in Sperrichhalb des Halbwellenbereichs ist es bekanntlich mög- 5 rung des mittleren pn-Übergangs, bis zur Kippspanlich, den Mittelwert der Gleichspannung zu ändern. nung dargestellt. Die Spannung U ist nach rechts ab-Die rein schematische Darstellung der vier ver- getragen. Außerdem sind zwei Kurven ILl und /i2 der schiedenen Schichten nebst Kontakten K1 und K2 ' Durchlaßstromdichte oder Laststromdichte eingetragemäß Fig. 2 kann als Ausschnitt aus F i g. 1 durch gen. Für diese gilt ein wesentlich verkleinerter Stromdie Bruchlinien H-II aufgefaßt werden, jedoch ohne io maßstab, der auf der rechten Seite der Ordinaten-Beachtung eines bestimmten Dickenmaßstabs. Sie achse auf getragen' ist. Die Kurven geben die gegendient lediglich zur Veranschaulichung der Bereichs- seitige Abhängigkeit dieser Stromdichte und der grenzen in Verbindung mit dem Diagramm der Durchlaßspannung Up wieder, welch letztere in Fig. 3. einem wesentlich vergrößerten Maßstab auf einer
Dieses zeigt in logarithmischem Maßstab die Do- 15 Parallelen zur Abszissenachse am oberen Rand des tierungskonzentrationen in den einzelnen Zonen oder Diagramms angegeben ist.
Bereichen, welche den vier verschiedenen Schichten Die bisher bekannten Thyristoren zeigen häufig bei
entsprechen. Dabei sind die Akzeptorendichten mit Raumtemperatur von etwa 200C eine Kippspannung größerer Strichstärke dargestellt als die Donatoren- von mehr als 1000 V. Steigt jedoch die Temperatur dichten. Nach dem Diagramm hat der durch den be- 20 des Thyristors während des Betriebes, so ergibt sich schriebenen Legierungsprozeß erzielte Akzeptorüber- ein starker Rückgang der Kippspannung Uk, wie im schuß im p-Emitter einen über die gesamte Schicht Diagramm für 90, 100, 120 und 150° C beispielsdicke nahezu konstanten Wert von 3 · 1018 em"3. In weise dargestellt. Diesen Rückgang der Kippspannung der unverändert gebliebenen η-Basis beträgt die Do- mit steigender Temperatur zeigen insbesondere solche natorendichte, wie früher erwähnt, etwa 1014cm~3 25 Thyristoren, deren Durchlaßspannung bei vollem und ist ebenfalls über die ganze Dicke dieser Schicht Betriebsstrom verhältnismäßig niedrig ist, insbeson- konstant. Im Gegensatz dazu ist die Akzeptoren- dere den Wert 1V nicht wesentlich übersteigt. Diese konzentration in der p-Basis durch den beschriebe- bekannten Siliziumthyristoren dürfen auf die Dauer nen Diffusionsvorgang ungleichmäßig über die nicht mit einem so hohen Strom beansprucht werden, Schichtdicke verteilt, wie die entsprechende Kurve 30 daß sie die an sich zulässige Höchsttemperatur um in F i g. 3 zeigt, die am rechten Rand des Bereichs 150° C erreichen, weil dann die Kippspannung auf von einem Wert 1014 cm"3 ausgeht und am linken einen so niedrigen Wert absinken würde, daß eine Rand einen Wert von 1017 cm~3 erreicht. Zündung in jeder positiven Halbwelle der Betriebs-
Nach dem dargestellten Verlauf liegt der Mittel- spannung, unabhängig von dem eingestellten Zeitwert der Dotierungskonzentration in diesem Bereich 35 punkt des Zündimpulses, bereits am Anfang der etwas höher als 3-1016cm~3. Die erforderliche mitt- Halbwelle stattfinden und somit die Steuerfähigkeit lere Dotierungskonzentration dieses Bereichs kann des Thyristors verlorengehen würde. Ein solcher natürlich auch durch einen Legierungsvorgang er- Thyristor kann also im Betrieb nicht voll ausgenutzt zielt werden, indem beispielsweise eine Goldfolie werden. Andere bekannte Thyristortypen, die eine mit einem geringen Gehalt an Bor in die linke Seite 4° größere Temperaturstabilität der Kippspannung aufdes Halbleiterkörpers einlegiert wird. Hierbei bildet weisen, bei denen also die Kippspannung mit zunehsich eine Rekristallisationsschicht vom p-Typ. Die mender Temperatur bis 120 oder 150° C gar nicht darüberliegende Legierungsschicht, bestehend aus oder nur wenig zurückgeht, zeigen dafür, den Naeheiner Gold-Silizium-Legierung mit Borgehalt, kann teil, daß ihr Durchlaßstrom nach einer Kurve ähnlich nach beendetem Legierungsvorgang durch Ätzen ent- 45 der Kurve ILl im Diagramm der F i g. 4 verläuft, bei fernt werden. Die auf diese Weise erhaltene Rekri- denen also die Durchlaßspannung im Betrieb mit stallisationsschicht bildet dann die p-Basis mit einer höherer Stromdichte ebenfalls hohe Werte annimmt, über die ganze Dicke gleichmäßigen Dotierungs- indem sie den Wert IV wesentlich übersteigt. Inkonzentration von beispielsweise etwa 1017 cm"3, folgedessen sind die Verluste bei diesen Thyristoren wie eine gestrichelte Linie im Diagramm der Fig..3 50 wesentlich höher, so daß die höchstzulässige Tempeandeutet. Auf dieser durch Legierung erhaltenen ratur bereits bei einem wesentlich geringeren Strom p-Basis können der Steuerkontakt und der η-Emitter eintritt als bei den vorher beschriebenen Thyristoren, mit dem zugehörigen Kontakt K1 in derselben Weise Auch die zuletzt geschilderten Thyristoren können erzeugt werden, wie oben für die durch Diffusion er- daher im Betrieb nicht voll ausgenutzt werden, haltene p-Basis beschrieben wurde. Der η-Emitter hat 55 Während also bei den bekannten Thyristoren jedesnach F i g. 3 eine über seine ganze Dicke etwa kon- mal ein Vorteil mit einem Mangel erkauft werden stante Donatorendichte zwischen IO18 und 1019 cm"3. muß, ermöglicht es demgegenüber die Erfindung, die Die F i g. 4 veranschaulicht die mit der Erfindung Vorteile der bekannten beiden Thyristoren miterzielte Verbesserung durch die Gegenüberstellung einander zu vereinigen und ihre Mängel zu vermeiverschiedener Kurven im Kennliniendiagramm des 60 den. Die neuen Thyristoren haben also auch bei der Siliziumthyristors. Hierbei wurde die im dritten höchstzulässigen Temperatur ihre volle Steuerfähig-Quadranten links unten dargestellte Sperrkennlinie keit, weil ihre Kippspannung nicht wesentlich niedfür beide Ausführungsformen einheitlich angenom- riger ist als bei Raumtemperatur, und sie haben fermen. Sie zeigt den Rückwärtsstrom Ir pro Flächen ner verhältnismäßig geringe Verluste, weil ihre einheit des sperrenden pn-Übergangs nach unten ab- 65 Durchlaßspannung beim höchstzulässigen Strom den getragen, in Abhängigkeit von der nach links ab- Wert 1V nicht oder nicht wesentlich übersteigt getragenen Sperrspannung Us, mit der die beiden Diese wesentliche Verbesserung läßt sich wie folgt
äußeren pn-Übergänge, und zwar hauptsächlich der erklären: Störstellen, deren Energieniveau etwa in
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der Mitte des verbotenen Energiebandes des Halb- η-Basis innerhalb eines Bereiches von 0,05 bis leiters zwischen seinem Valenz- und Leitungsband 0,15 mm möglich. Derartige hohe Ströme (Leckliegt, beeinflussen die Dotierungsverhältnisse im ströme) erreicht nun der Tyristor im gesperrten ZuHalbleiter nur unwesentlich. Sie bilden Rekombina- stand erst bei der durch »Punch-through« oder tionszentren, an denen die Vorgänge der Rekom- 5 »Breakdown« bestimmten maximalen Sperrspannung, bination und Paarerzeugung ablaufen, und bestim- Erst bei sehr hohen Temperaturen werden derartige men damit die Lebensdauer τ der Stromträger bzw. Leckströme auch schon bei kleineren Spannungen deren Diffusionslänge im Halbleiterkörper, vor allem erreicht. Da nun aber der angegebene Verlauf der in den beiden Basisgebieten. Lebensdauer r, wie schon gesagt, weitgehend tempe-
Durch das vorgeschlagene Einbringen von Stör- io raturunabhängig bestehenbleibt, wenn die p-Basis
stellen mit den vorbezeichneten besonderen Eigen- genügend hoch dotiert ist, z. B. mit einer mittleren
schäften wird nun bewirkt, daß die Lebensdauer der Akzeptorenkonzentration 1016 cm"3 oder mehr,
Stromträger in der niederohmigen Basis, in unserem bleibt also auch die Kippspannung temperaturstabil,
obigen Beispiel, also in der p-Basis, stark strom- und zwar ist sie bis zu sehr hohen Temperaturen von
abhängig wird, und zwar in dem Sinn, daß bei klei- 15 150° C und mehr gleich der »Breakdown«- bzw.
nen Strömen die Lebensdauer sehr klein ist und daß »Punch-through«-Spannung. Die erste der angestreb-
erst bei verhältnismäßig hohen Stromdichten von ten Forderungen wird daher mit der Erfindung er-
mehr als 10 mA/cm2 die Lebensdauer sehr groß wird. reicht.
Dies hat zur Folge, daß die Stromverstärkung in die- Mit der vorgeschlagenen Maßnahme erreicht man ser p-Basis bei kleinen Strömen zunächt sehr niedrig 20 jedoch auch zugleich gute Durchlaßeigenschaften, ist und erst bei Stromdichten zwischen 10 und Um gute Durchlaßeigenschaften zu erreichen, ist es 100 mA/cm2 steil gegen den Wert eins ansteigt. Bei notwendig, daß im Bereich hoher Durchlaßströme genügend hoher Dotierung der p-Basis bleibt dieser die Diffusionslängen in beiden Basisgebieten gecharakteristische Verlauf des Stromverstärkungsfak- nügend groß sind im Vergleich zur Dicke dieser tors bis zu verhältnismäßig sehr hohen Temperaturen 25 Basisgebiete. Man kann diese Forderung auch so von 150° C und mehr unverändert erhalten. formulieren:
Rekombinationszentren der beschriebenen Art, die Die Summe der Stromverstärkungsfaktoren anm
in dem einen Basisgebiet eine stromabhängige des ersten und apnp des zweiten Transistors muß im
Lebensdauer erzeugen, bewirken im zweiten Basis- Bereich hoher Durchlaßströme deutlich größer als
gebiet von umgekehrtem Leitfähigkeitstyp eine prak- 30 der Wert eins sein. Dies wird aber ebenfalls mit der
tisch stromunabhängige Lebensdauer und damit Erfindung erreicht. Da der Stromverstärkungsfaktor
einen weitgehend stromunabhängigen Wert der ocnpn des ersten Transistors bis zu verhältnismäßig
Stromverstärkung des zweiten Transistors. Man er- hohen Sperrströmen sehr klein ist, kann man, wie
hält also für die Stromverstärkungsfaktoren anpn des schon gesagt, den Stromverstärkungsfaktor <xpnp des
ersten Transistors und <xpnp des zweiten Transistors 35 zweiten Transistors relativ hoch machen, z.B. 0,5
den in F i g. 5 a skizzierten Verlauf, wenigstens soweit bis 0,8. Da nun der Stromverstärkungsfaktor «npn des
sie durch die Volumenlebensdauer bestimmt sind. ersten Transistors bei höheren Strömen sehr groß
Dieser Verlauf kann noch durch OberflächenefEekte wird, d. h. näherungsweise den Wert eins erreicht,
modifiziert sein sowie — vor allem bei sehr kleinen liegt also im Gebiet hoher Durchlaßströme die
Strömen — durch eine verstärkte Rekombination in 4° Summe beider Stromverstärkungsfaktoren deutlich
den Raumladungsgebieten zwischen Emitter und Ba- über eins. Damit ist aber auch die zweite Forderung,
sis. Diese zusätzlichen Einflüsse beeinträchtigen nicht nämlich die nach kleinen Durchlaßspannungen,
die Gültigkeit der hier geschilderten Überlegungen. ebenfalls erfüllt.
Den Absolutwert der Stromverstärkungsfaktoren bei Alles Gesagte gilt in analoger Weise für solche
hohen Strömen kann man durch die Zahl der ein- 45 Thyristoren, deren η-Basis höher dotiert ist als die
diffundierten Rekombinationszentren und durch die p-Basis. Hier wird in der niedrigdotierten p-Basis
Wahl der Dicke der Basisgebiete einstellen. eine annähernd stromabhängige Stromverstärkung
Mit einem derartigen Verlauf der Stromverstär- erreicht, in der höher dotierten η-Basis eine Strom-
kungsfaktoren kann man nun die eingangs geforderte verstärkung, die in der beschriebenen Weise strom-
Kombination von niedrigen Durchlaßspannungen 50 abhängig ist, sofern man Störstellen eindiffundiert,
und hoher Temperaturstabilität der Kippspannung deren Wirkungsquerschnitt für Defektelektronen
erreichen. Wie schon erwähnt wurde, sperren die größer als für Elektronen ist.
Thyristoren in Vorwärtsrichtung nur so lange, wie < Obgleich es genügt, die Rekombinationszentren
die in Fig. 5b dargestellte Summe der Stromverstär- der geforderten Art allein in die Basisgebiete einzu-
kungsfaktoren kleiner als ein ist; sie kippen dann, 55 bringen, wird es im allgemeinen einfacher sein, die
wenn diese Summe den Wert eins erreicht. Durch die beschriebenen Rekombinationszentren über den
geschilderte Anreicherung der p-Basis mit besonde- ganzen Halbleiterkristall etwa gleichmäßig zu ver-
ren Rekombinationszentren ist nun der Stromverstär- teilen. Dies wird durch die Eigenschaften derartiger
kungsfaktor »nm bei kleinen Strömen auf einen sehr Rekombinationszentren erleichtert, da z.B. Rekomniedrigen Wert festgelegt. Solange die Dichte des 60 binationszentren, deren Energieniveau etwa in der
Stromes in Vorwärtsrichtung also nicht mindestens Mitte des verbotenen Energiebandes des Siliziums
10 mA/cm2 und mehr beträgt, kann der Thyristor zwischen seinem Valenz- und Leitungsband liegt, wie
nicht kippen, wenn außerdem der Stromverstärkungs- Kupfer, Gold, Mangan, Eisen, normalerweise-eine
faktor <xpnp einen vernünftigen Wert hat, der nicht recht hohe Diffusionskonstante in Silizium haben, allzunah am Wert eins liegt. Dies letztere ist aber, 65 Läßt man diese Stoffe also während eines Diffusions-
wie schon gesagt, durch Einbringen der beson- oder Legierungsprozesses in einen beispielsweise
deren Rekombinationszentren auch in die η-Basis scheibenförmigen Rohkristall eindiffundieren, so
und durch eine passende Bemessung der Dicke der werden sie sich im allgemeinen gleichmäßig über den
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ganzen Siliziümkristall verteilen. Auch das gleich- Silizium, deren p-Basis höher dotiert ist als die mäßige Einbringen dieser Rekombinationszentreri in η-Basis, vorzugsweise Mangan zu benutzen, während einem Siliziumstab beim Zonenschmelzprozeß ist es für Thyristoren aus Silizium mit höher dotierter wegen der sehr niedrigen Verteilungskoeffizienten η-Basis als aussichtsreich erscheint, diese mit Kupfer dieser Stoffe in Silizium verhältnismäßig einfach 5 anzureichern. Eisen und Gold bilden sowohl Donadurchführbar. Mit beiden Verfahren ist auch der tor- als Akzeptorstörstellen, haben also in beiden Absolutgehalt an derartigen Störstellen mit normalen Fällen günstige Eigenschaften.
Mitteln regulierbar. Die Erfindung ist hier am Beispiel eines aus SiIi-Die oben angeführten Stoffe, Cu, Fe, Mn, Au, sind zium hergestellten Thyristors geschildert worden, als Rekombinationszentren in Silizium bekannt. Be- io ohne jedoch an dieses Halbleitermaterial gebunden züglich der Einfangquerschnitte dieser Stoffe für zu sein, vielmehr kommen auch andere Halbleiter-Elektronen und Defektelektronen steht auf Grund stoffe, die sonst für ähnliche Zwecke wie Silizium in von allgemeinen theoretischen Überlegungen zu er- elektronischen Anlagen verwendet werden, für die warten, daß Rekombinationszentren mit Akzeptor- praktische Verwirklichung der Erfindung in Betracht, Charakter einen größeren Einfangquerschnitt für 15 insbesondere solche, die im Diamantgitter kristalli-Defektelektronen besitzen, während umgekehrt bei sieren. Als Beispiel seien noch genannt: Germanium, Donatoren der Einfangquerschnitt normalerweise für Siliziumkarbid, intermetallische Verbindungen der Elektronen größer sein wird. · Demnach wird emp- III. und V. Gruppe sowie der II. und VI. Gruppe fohlen, zur Anreicherung mit Rekombinationszen- des Periodischen Systems der Elemente wie Galliumtren, wie beschrieben, für solche Thyristoren aus 20 arsenid bzw. Zinkselenid.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Kennlinienverlauf der Stromverstärkungsfaktoren im Patentansprüche: . gewünschten Sinne zu beeinflussen. Thyristoren für Starkstromzwecke müssen nach
1. Thyristor mit einkristallinem Halbleiterkör- Möglichkeit zwei Anforderungen genügen. Sie sollen per, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schich- 5 in Durchlaßrichtung in durchlässigem Zustand einen ten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungs- hohen Nutzstrom mit möglichst kleinem Spannungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht abfall passieren lassen und in gesperrtem Zustand einen ersten Transistor und die zweite, dritte und wie auch in Sperrichtung eine möglichst hohe Spanvierte Schicht einen zweiten Transistor bilden nung blockieren können, und zwar bei möglichst und dessen zweite Schicht eine höhere Dotie- io hoher Betriebstemperatur. Die durch den Spannungsrungskonzentration als die dritte Schicht hat, abfall des Nutzstroms in Durchlaßrichtung bedingte wobei der erste Transistor einen mit dem Strom Verlustleistung in Verbindung mit der zulässigen zunehmenden Verstärkungsfaktor aufweist, da- Betriebstemperatur einerseits und die Sperrfähigkeit durch gekennzeichnet, daß wenigstens andererseits bestimmen Betriebsstrom und Betriebsdie zweite und dritte Schicht zusätzliche Rekom- 15 spannung und damit die mit dem Bauelement bebinationszentren aufweisen, die aus solchen Stör- herrschbare Leistung. Die beiden erwähnten Anforstellen bestehen, deren Energieniveau der Mitte derungen sind nun aber keineswegs stets ohne weides verbotenen Energiebandes des Halbleiter- teres miteinander verträglich, sie stehen vielmehr materials zwischen seinem Valenz- und Leitungs- häufig sogar im Gegensatz zueinander. Stellt man band näher liegt als dem nächstgelegenen Rande 20 nämlich Thyristoren her, die einen niedrigen Spandes verbotenen Energiebandes und die gegenüber nungsabfall in Durchlaßrichtung haben, so findet den Minoritätsträgern der zweiten Schicht einen man im allgemeinen, daß die Sperrspannung in Vorwesentlich größeren Einfangquerschnitt haben als wärtsrichtung — die sogenannte Kippspannung — gegenüber ihren Majoritätsträgern, derart, daß mit wachsender Temperatur sehr schnell abnimmt, der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transi- 25 so daß man nur eine niedrige Betriebstemperatur und stors im Stromdichtebereich unterhalb lOmA/cm2 damit nur eine niedrige Verlustleistung zulassen darf sehr klein gegen eins und im Stromdichtebereich und mithin auch einen entsprechend niedrigeren zwischen 10 und 100 mA/cm2 steil gegen eins Grenzwert des zulässigen Druchlaßstroms erhält, ansteigt und daß der Stromverstärkungsfaktor Umgekehrt erhält man eine gute Temperaturstabilität des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten 30 der Kippspannung, wenn man schlechte Durchlaß-Stromdichtebereich praktisch stromunabhängig ist. eigenschaften, d.h. also hohen Spannungsabfall in
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge- Durchlaßrichtung in Kauf nimmt,
kennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration Im deutschen Gebrauchsmuster 1 838 035 ist beder zweiten Schicht in einem der ersten Schicht reits ein Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem benachbarten Teilbereich etwa 1017 cm~3 beträgt 35 die Temperaturstabilität der Kippspannung offen- und in einem der dritten Schicht benachbarten sichtlich durch einen Kurzschluß zwischen der ersten Teilbereich um etwa drei Zehnerpotenzen nied- und zweiten Schicht erreicht wird. Maßnahmen, die riger ist. gleichzeitig eine* Temperaturstabilität der Kippspan-
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge- nung und einen niedrigen Spannungsabfall in Durchkennzeichnet, daß auch die übrigen Schichten des 40 laßrichtung bewirken, sind diesem Gebrauchsmuster Halbleiterkörpers Rekombinationszentren gleicher nicht zu entnehmen.
Art enthalten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-
4. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- gründe, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gatdurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Re- tung so weiterzubilden, daß sowohl eine temperaturkombinationszentren aus Gold bestehen. 45 stabile Kippspannung als auch eine niedrige Durch-
5. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- laßspannung erreicht wird.
durch gekennzeichnet, daß im Fall einer p-leiten- Dies wird dadurch erreicht, daß wenigstens die
den zweiten Schicht die zusätzlichen Rekombi- zweite und dritte Schicht zusätzlich Rekombinations-
nationszentren aus Mangan bestehen. Zentren aufweisen, die aus solchen Störstellen be-
50 stehen, deren Energieniveau der Mitte des verbotenen
Energiebandes des Halbleitermaterials zwischen
seinem Valenz- und Leitungsband näher liegt als dem
Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit einem nächstgelegenen Rande des verbotenen Energiebaneinkristallinen Halbleiterkörper, enthaltend vier auf- des und die gegenüber den Minoritätsträgern der einanderfolgende Schichten von abwechselnd ent- 55 zweiten Schicht einen wesentlich größeren Einfanggegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, querschnitt haben als gegenüber ihren Majoritätszweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und trägem, derart, daß der Stromverstärkungsfaktor des die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine 10 mA/cm2 sehr klein gegen eins ist und im Stromhöhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht 60 dichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm2 steil hat, wobei der erste Transistor einen mit dem Strom gegen eins ansteigt und daß der Stromverstärkungszunehmenden Verstärkungsfaktor aufweist. faktor des zweiten Transistors in dem zuletzt ge-Es ist bekannt, daß Thyristoren in Durchlaßrich- nannten Stromdichtebereich praktisch stromunabhäntung sperren, wenn die Summe der Stromverstär- gig ist.
kungsfaktoren der beiden Transistoren kleiner als 65 Hierdurch wird erreicht, daß die Summenkurve
eins ist. Aus der umfangreichen Literatur über Tran- der Stromverstärkungsfaktoren den Wert eins so steil
sistoren und Thyristoren sind ferner eine Reihe ver- durchläuft, daß damit der Kippvorgang eindeutig und
schiedener Mittel bekannt, die es ermöglichen, den praktisch unabhängig von anderen Betriebsgrößen an
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