DE1294558B

DE1294558B - Hochspannungsgleichrichter und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE1294558B
Application number: DEW32198A
Authority: DE
Inventors: Smart Lee W
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1961-06-07
Filing date: 1962-05-04
Publication date: 1969-05-08
Also published as: CH401272A; US3335296A

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im all- Fähigkeitstyps umschlossen wird. Auch in diesem gemeinen auf Hochspannungsgleichrichter und im Falle handelt es sich nicht um die Erhöhung der besonderen auf Hochspannungsgleichrichter mit pn- Sperrspannung, sondern beide Zonen dienen als inÜbergang, jizierende Steuerelektroden. ^Λ

Seit kurzem sind Siliziumeinkristalle von hoher 5 Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung Qualität erhältlich. Dies ermöglicht die Entwicklung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Zum von Hochleistungsdioden, welche einen hohen Grad besseren Verständnis der Erfindung wird auf die physikalischer Einheitlichkeit im Bereich des inneren Zeichnungen Bezug genommen, in welchen die pn-Übergangs besitzen. Die schwache Stelle des pn- Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterbau-

Übergangs liegt hierbei im äußeren Bereich oder im io elements zeigt, welches eine Ausführungsform der Oberflächenbereich des Übergangs. vorliegenden Erfindung darstellt;

Wiederholt durchgeführte Versuche mit hohen Fig.2 ist eine Aufsicht auf das Halbleiterbau-

Spannungen zeigen, daß das Haupthindernis für die element gemäß der Fig. 1;

Hochspannungsstabilität in Leistungsdioden vom Fig.3 zeigt das Schaltbild des Stromkreises, den

Oberflächendurchbruch am Rand des pn-Übergangs 15 der Sperrleckstrom vorfindet;

herrührt. Ein solcher Durchbruch am Rand des pn- Fig.4 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß der

Übergangs führt zu einem höheren Oberflächenleck- F i g. 1 in gekapselter Form;

strom und zerstört dadurch die Diode oder vermin- Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Gleichrichter-

dert ihre Lebensdauer wesentlich. Gleichzeitig wird elements, welches eine Vorspannung für die Hilfsdie Spitzensperrspannung der Diode vermindert. 20 pn-Übergänge besitzt, und

Demzufolge ist die allgemeine Aufgabe der vor- Fig.6 ist ein Teilquerschnitt eines Gleichrichterliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten bauelemente, welches drei auflegierte Hilfsringe be-Hochspannungsgleichrichter mit pn-übergang zu sitzt.

schaffen. Das besondere Ziel dieser Erfindung ist es, Die grundlegende Erfindung, welche hier beschrie-

einen pn-Übergangsgleichrichter zu schaffen, wel- 25 ben wird, kann auf verschiedene Typen von pncher eine erhöhte Lebensdauer, sehr hohe Sperr- Übergangs-Gleichrichtern angewendet werden. Aus Spannungen und einen geringen Spannungsabfall in Gründen der Vereinfachung bezieht sich die BeDurchlaßrichtung besitzt. Schreibung auf die Ausführungsform der Erfindung

Die Erfindung betrifft deshalb einen Hochspan- als p-Typ-Silizium-Leistungs-Diode. nungsgleichrichter mit einer ersten einkristallinen, 30 Der Aufbau des Gleichrichterbauelements ist in scheibenförmigen Zone eines Leitfähigkeitstyps, in starker Vergrößerung in den F i g. 1 und 2 der Zeichderen eine Flachseite eine dünnere zweite Zone des nungen dargestellt. Das Gleichrichterbauelement 10 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet ist, besteht aus einer Scheibe 12 aus p-leitendem SiI-welche mit einem flächenhaften pn-übergang an die zium, welches durch eine Trägerscheibe 16 getragen erste Zone angrenzt, sowie mit je einer ohmschen 35 wird. Die Trägerscheibe 16 besteht aus einem Ma-Kontaktelektrode auf jeder der beiden Zonen, von terial, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit und elekdenen die eine ohmsche Kontaktelektrode die andere trische Leitfähigkeit besitzt, sowie einen Wärmeausganze Flachseite der ersten Zone bedeckt. Er ist er- dehnungskoeffizienten ähnlich dem der Scheibe 12. findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Die Trägerscheibe 16 kann z. B. aus Molybdän oder Aufteilung der Durchschlagsspannung an der Ober- 40 Wolfram hergestellt sein. Die Siliziumscheibe 12 ist fläche mindestens eine dritte ringförmige Zone des auf der Trägerscheibe 16 mit Hilfe einer dünnen zweiten Leitfähigkeitstyps den flächenhaften pn- Schicht eines p-Leitung hervorrufenden Lotes 14 beÜbergang umschließt und einen zweiten pn-Über- festigt, wodurch ein ohmscher Kontakt zwischen der gang mit der ersten Zone bildet. Kurz gesagt löst die Siliziumscheibe 12 und dem Trägerkörper 16 bewirkt vorliegende Erfindung die obengenannte Aufgabe, 45 wird. Eine dünne Rondel8 eines η-Leitung hervorindem ein oder mehrere Hilfs-pn-Übergänge kon- rufenden Stoffes, wie z. B. eine Gold-Antimon-Legiezentrisch um den Haupt-pn-Übergang angeordnet rung, ist zentrisch auf die Siliziumscheibe 12 aufwerden, wodurch die hohen Sperrspannungen, welche gelegt und in die Scheibe 12 einlegiert, wodurch sich an der Diodenoberfläche auftreten, auf die Anzahl ein Haupt-pn-Übergang 20 in der Siliziumscheibe 12 der vorhandenen pn-Übergänge verteilt werden. Da 50 gebildet hat. Die Ronde 18, welche einen geringeren die hohen Sperrspannungen durch eine Mehrzahl von Durchmesser als die Siliziumscheibe 12 aufweist, pn-Übergängen getragen werden, werden die Ober- wird mit Abstand von zwei Gold-Antimon-Legieflächenleckströme vermindert, und die Lebensdauer rungsringen 22 konzentrisch umgeben, welche ebender Leistungsdiode wird vergrößert. __ falls in der Siliziumscheibe 12 einlegiert sind, wo-

Es ist bereits bei Transistoren bekannt, in einen 55 durch zwei kreisringförmige Hilfs-pn-Übergänge 24 Halbleiterkörper des einen Leitfähigkeitstyps meh- und 26 entstanden sind. Die Übergänge 20,24 und rere einander umschließende, ringförmige Zonen des 26 sind in stark vergrößertem Maßstab als der Beentgegengesetzten Leitfähigkeitstyps einzubetten. Es reich zwischen den gekreuzten Linien der F i g. 1 darhandelt sich dabei aber nicht um eine Vergrößerung gestellt und befinden sich innerhalb des nichtlegierder Sperrspannung, sondern es handelt sich um 60 ten Materials. Die Bereiche 19,21 und 25 sind Zonen Emitterringe, die der Vergrößerung der Randlänge von rekristallisiertem Silizium. Eine Molybdän- oder des Emitters dienen. Wolframkontaktelektrode 32 ist in ohmschem Kon-

Ferner ist noch ein Vier-Zonen-Halbleiterbau- takt auf die Gold-Antimon-Legierungsronde 18 aufelement bekanntgeworden, bei dem auf einer Flach- gesetzt.

seite des scheibenförmigen Halbleiterkörpers eine 65 Obgleich der oben beschriebene Aufbau ein Zone des einen Leitfähigkeitstyps, die in eine Zone Element mit zwei einlegierten Ringen beschreibt, des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet kann selbstverständlich die Anzahl der verwendeten ist, von einer ringförmigen Zone des gleichen Leit- Ringe in Abhängigkeit von der Sperrspannung,

welcher das Bauelement ausgesetzt wird, vergrößert werden.

Die F i g. 3 stellt schematisch den Stromkreis dar, den der Sperrleckstrom auf der Oberfläche des Gleichrichters gemäß der Erfindung mit zwei einlegierten Ringen 22 vorfindet. Jeder Gleichrichter der F i g. 3 steht für einen pn-übergang der F i g. 1 und hat das gleiche Bezugszeichen wie in der Fig. 1. Zum Beispiel steht der Gleichrichter 20 der F i g. 3 für den Haupt-pn-Übergang 20 der F i g. 1, und die to Gleichrichter 24 und 26 in der F i g. 3 repräsentieren die pn-Übergänge 24 und 26, die mit den Ringen 22 der F i g. 1 verbunden sind. Man kann sehen, daß die Sperrspannung auf drei sperrende pn-Übergänge aufgeteilt ist, so daß der Gleichrichter hierdurch sehr hohe Spannungen ertragen kann, bevor die Sperrstabilität, welche auf Oberflächenleckströme zurückzuführen ist, Schwierigkeiten macht. Zum Beispiel können Gleichrichter gemäß der Erfindung so ausgelegt werden, daß sie einen Spannungsabfall in ao Durchlaßrichtung von 1 bis 1,5 V bei 100 A Durchlaßstrom besitzen und eine Spitzensperrspannung von 1500 bis 3000V.

In der F i g. 4 ist ein Kupferbecher 34 auf die Kontaktelektrode 32 gelötet, und der biegsame Kupfer- »5 leiter 36, welcher eine Kupferkappe 38 an seinem anderen Ende besitzt, ist mit dem Becher 34 verbunden. Die Kappe 38 an dem anderen Ende des Leiters 36 berührt eine Metallkappe 40 und sorgt damit für die elektrische Verbindung von einem äußeren Stromkreis zu dem Gleichrichterelement 10. Das Gleichrichterelement 10 ist in einem Bodenkörper 42 untergebracht, welcher ein Schraubgewinde besitzt, mit dessen Hilfe ein zweiter elektrischer Anschluß angebracht werden kann. Ein zylindrischer Körper 44, der einen äußeren Flansch 46 besitzt, ist an dem Grundkörper 42 befestigt und trägt einen isolierenden Hohlzylinder 48. Ein anderer Hohlzylinder 50, welcher einen inneren Flansch 52 besitzt, ist an dem oberen Ende des isolierenden Zylinders 48 befestigt und trägt die Kappe 40.

Anstatt die kreisringförmigen, auflegierten Ringe 22 elektrisch schwebend zu belassen, kann es zweckmäßig sein, die Ringe an eine Spannung zu legen, wie in der Fig. 5 gezeigt wird. Ein elektrisches Potential, welches durch die Vorwiderstände 52 an die Ringe 22 gelegt wird, vergrößert die Sperrfähigkeit des Gleichrichters. Dies wird durch die Verschiebung der Raumladungszone bewirkt. Das heißt, die Raumladungszone, welche durch die Spannung an den Ringen 22 hervorgerufen wird, verbindet sich mit der Raumladungszone an dem Haupt-pn-Übergang, wodurch die resultierende Raumladungszone an der Oberfläche verbreitert wird. Dies läßt natürlich den Gleichrichter höhere Sperrspannungen an der Oberfläche des Gleichrichterbauelements tragen.

Es können so viel oder so wenig einlegierte Ringe aneinandergereiht werden, wie durch die Höhe der Sperrspannung benötigt werden, welcher das Bauelement im Betrieb ausgesetzt ist. Die Fig.6 ist ein Teilquerschnitt eines Gleichrichterelements, welches drei elektrische Ringe 22 besitzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Hochspannungsgleichrichter mit einer ersten einkristallinen, scheibenförmigen Zone eines Leitfähigkeitstyps, in deren eine Flachseite eine dünnere zweite Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingebettet ist, welche mit einem flächenhaften pn-übergang an die erste Zone angrenzt, sowie mit je einer ohmschen Kontaktelektrode auf jeder der beiden Zonen, von denen die eine ohmsche Kontaktelektrode die andere ganze Flachseite der ersten Zone bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung der Duchschlagsspannung an der Oberfläche mindestens eine dritte ringförmige Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps den flächenhaften pn-übergang umschließt und einen zweiten pn-übergang mit der ersten Zone bildet.

2. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktelektrode an der dritten ringförmigen Zone zum Anlegen einer Vorspannung vorgesehen ist.

3. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ringförmige Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, welche einander mit Abstand umschließen.

4. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone aus p-leitendem Silizium besteht, in die durch Einlegieren einer Gold-Antimon-Legierung erzeugte p-leitende Zonen eingebettet sind.

5. Verfahren zum Herstellen eines Hochspannungsgleichrichters nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Arbeitsgang erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen