DE1439215A1

DE1439215A1 - Mehrschichthalbleiter,insbesondere Thyristor fuer Hochspannung und grosse Durchgangsleistungen

Info

Publication number: DE1439215A1
Application number: DE1963S0083800
Authority: DE
Inventors: Eduard Gerecke
Original assignee: Ateliers de Secheron SA
Current assignee: BBC Secheron SA
Priority date: 1962-02-20
Filing date: 1963-02-18
Publication date: 1968-10-17
Also published as: FR1360744A; AT255569B; BE628619A; CH414866A; GB1031043A; DE1789155B1; DE1439215B2

Description

SOCIiITE AHOHYME DES
Genf, Schweiz

DE SECHEROlT,

Mehrsehichthalbleiter, insbesondere Thyristor für Hochspannung und große Durchgangsleistungen«

Es ist bekannt, daß an der Oberfläche von pn-Übergängen bei Halbleitern längs der Oberfläche des Eristalles sehr hohe Tangentialfeidstärken auftreten können, welche bis einige hundert Kilovolt pro Zentimeter erreichen können. Diese hohen Feldstärken sind sehr schädlich, indem sie Kriechströme zur Folge haben, welche die maximale Sperrspannung des Yentils sowie die Lebensdauer verkleinern.

Es sind bereits Halbleiteranordnungen beschrieben worden,· die eine Abschrägung aufweisen, um die durch die Sperrschicht bewirkte Kapazität zu verringern. In der USA-Patentschrift Nr. 2 993 155 wird eine im Sperrgebiet verwendete Diode beschrieben, deren eine Elektrode bedeutend kleiner als die andere ausgebildet ist, wodurch die Kapazität mit zunehmender Sperrspannung besonders stark sinkt. Diese Anordnung wird dort als spannungsabhängiger Kondensator bezeichnet. Ihr Anwendungsbereich liegt bei sehr hohen Frequenzen im Gebiet der MHz und GHz und bei kleinen Leistungen von Mikrowatt. Eine ähnlich wirkende Abschrägung

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einer Halbleiteranordnung mit Kollektorelektrode ist in der deutschen Auslegeschrift Er. 1 094 886 dargestellt. Dort befindet sich zwischen dem. Kollektor und der Basis des gezeichneten Transistors eine "breite, nahezu eigenleitende Schicht, deren Rand leicht abgeschrägt ist. Die geringe Dosierung bewirkt eine große Breite der Sperrschicht, also eine kleine Kapazität, die durch die Abschrägung noch weiter verringert wird. Der Anwendungsbereich liegt auch hier bei sehr hohen Frequenzen.

Schließlich ist auch eine Abschrägung an derjenigen Oberfläche eines Halbleiters bekannt, an der der Rand des pn-Überganges heraustritt bzw. die η-leitende Zone mit der Sperrschichtfläche des pn-Überganges einen spitzen Profilwinkel einschließt.

Die Erfindung bezieht sich auf Merhschichthalbleiter insbesondere Thyristoren für Hochspannungen, das sind vorzugsweise über 1000 Y liegende Sperrspannungen an den Sperrschichten, und große Durchgangsleitungen. Die Kapazi täten, dieser Sperrschichten spielen gar keine Rolle, dagegen treten an der Seitenfläche der Sperrschicht sehr hohe elektrische Feldstärken auf, die zur Zerstörung führen können.

Die oben erwähnten bekannten Maßnahmen beziehen sich auf das Gebiet der Schwachstromtechnik und der Hochfrequenztechnik. Sie geben jedoch keinen Hinweis dafür, stx in welcher

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Weise sie für Hochspannungshalbleiter großer Leistung angewendet v/erden können, "bei denen die Sperrschichtkapazität nicht wesentlich ist. Hingegen ist die elektrische Oberflächenfeldstärke in der Uähe der Sperrschicht von entscheidender Wichtigkeit.

Es sind auch schon Halbleitervorrichtungen für große Leistungen, vorzugsweise Hochleistungstransistoren bekanntgeworden, bei denen der Halbleiterkörper in einem Gehäuse elektrisch isoliert, jedoch in wärmeleitendem Kontakt mit diesem untergebracht ist, und bei welchem das G-ehäuse .mit seinem Metallsockel und -bolzen unmittelbar in großflächigem Kontakt an einem Chassis montierbar ist und eine großflächige Schicht eines elektrischen Isoliermaterials von großer Wärmeleitfähigkeit den Metallsockel vom Halbleiterkörper trennt. Bei solchen Halbleitervorrichtungen ist es bekannt, daß die Schicht an ihren Oberflächen metallisiert ist und an ihrer einen Seite durch Lötung mit der inneren Breitseite des Sockels und an ihrer anderen, dem Sockel entgegengesetzten Seite mit dem Halbleiterkörper oder einem Zwischenstück ebenfalls durch Lötung verbunden ist. Diese bekannten Halbleitervorrichtungen ermöglichen jedoch keine Verminderung der Oberflächenfeldstärke.

Erfindungsgemäß ist nun ein Mehrschiehthalbleiter, insbesondere Thyristor für Hochspannung und große Durchgangsleistungen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermindern der tangentialen Oberflächenfeldstärke die Oberfläche einer

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schwächer dotierten Zone, welche an zwei Schichten mit umgekehrtem Leitfähigkeitstypus angrenzt, kerbenförmig ausgebildet ist, so daß der Profilwinkel mit jeder der beiden Sperrschichtflächen je einen spitzen, zwischen 2,5 und 30 liegenden Winkel bildet. .

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläuterte

Die Erfindung bezieht sich auf Mehrschichthalbleiter mit Sperrspannungen an der Sperrschicht von über 1000 V. Bei solchen "Hochspannungshalbleitern" liegt die Dicke der schwäch dotierten Schicht in der Gegend von einigen hundert Mikron, so daß sich die Kerbung gut ausführen läßt und ökonomisch tragbar wird. Die durch den Halbleiter durchgehende !Leistung übersehreitet dabei leicht 1 kW, sie kann bis 50 kW und mehr erreichen. In der Beschreibung werden Halbleiter mit über IkW liegender Leistung pro Zelle als "Halbleiter großer Leistung" bezeichnet.

Bei Mehrschichthalbleitern ist es möglich, daß auch bei positiven Ventilspannungen eine Sperrung eintritt, wobei ein ganz kleiner Leckstrom auftritt. Soll jedoch ein beträchtlicher Strom bei positiven Ventilspannungen fließen, so muß eine positive Zündspannungsspitze überschritten werden, ähnlich wie beim Zündpotential eines Thyratrons. Diese Zündspannungsspitze kann durch zusätzliche Hilfsströme stark reduziert werden. Zu diesen Halbleitern gehören die

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S η α « η Q / η 9 ρ /. **

sogenannten Vierschichtendioden und die steuerbaren Siliziumventile (Silicon Controlled Rectifier, Thyristor, Turn-off Silicon Controlled Rectifier), ferner der sogenannte Transwitch und der Binister. Die positive Sperrspannung kommt dadurch zustande, daß im Mehrschichthalbleiter, ein p-n-Übergang verkehrt gepolt ist. Das Potential der η-Schicht ist wesentlich höher als das der p-Schicht. Es handelt sich hierbei um die Verhältnisse in einer Sperrschichtfläche ff, an welche zwei Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit aneinander stoßen. Die "Zündspannung" kann auch negativ sein, maßgebend ist auch hier immer wieder ein η-ρ-ϋΐ)ergang. Die Dotierung der Schichten kann hier wieder alle Werte annehmen, wie p,tYj i» V*, n.

In Fig. 1 ist beispielsweise ein p-y-p-Übergang dargestellt, wobei die V-Schicht die geringste Dotierungskonzentration aufweist. Dieser Übergang soll nun sowohl für positive wie auch für negative Spannungen sperren. Das eine Mal tritt daher die größte Feldstärke an der p-V-Sperrschichtfläche-G^ auf. Bei umgekehrter Polung tritt jedoch die Spannung an der V-p-Sperrschichtfläche GL· auf. Erfindungsgemäß ist nun das Profil bei den Punkten 1-7 als Kerbe, d.h. keilförmig ausgebildet. Fig. 2 zeigt eine besonders günstige Profilform. Die in der V-Schicht vorhandene Kerbe zeigt eine T-Form, bei Punkt 4 ist das Profil kreisförmig, während die Kerbe bei Fig. 1 ein dreieckförmiges Profil aufweist. Das Profil kann ferner an den Sperrschichtflächen G₁ ^¹¹⁰· ^₂ ^Terscilieden geformt werden, falls für die positive und die negative

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Sperrspannung verschieden hohe Werte gewünscht werden. Man kann das Profil auch so formen, daß der Neigungswinkel oC •des Profils am Innenrand z.B. doppelt bis 10 mal so groß wie der Neigungswinkel am äußeren Hand ist. Pig. 3 zeigt eine besondere konstruktive Ausführung eines steuerbaren Siliziumventils. Dieses weist vier Schichten p,v> P» ⁿ. auf, die Anode A ist oben, die Kathode 0 unten und die Steuerelektrode G- (Gritter, Gatter, G-ate), axial angeordnet. Hat die Anode A ein höheres Potential als die Kathode C, so tritt die hohe Speirspannung an der Sperrschichtfläche Gk auf. Hat jedoch die Anode A ein tieferes Potential als C, so tritt die Sperrspannung an der Sperrschichtfläche G> > auf. Erfindungsgemäß wird nun das Profil der y-Schicht sowohl zwischen den Punkten 1-4-7 als auch zwischen den Punkten 11-41-71 z.B. nach Fig. 2 geformt. Die innere Kerbe 11-41-71 muß dabei "spiegelbildlich" zu der Kurve 1-4-7 liegen. Es kommt also bei allen vier Stellen 1, 7, 11, 71 der V-Schicht darauf an, daß die Schichtdicke b nach Fig. 3 mit zunehmendem Abstand a vom Rande her anwächst.

Die Oberfläche der Halbleiter, insbesondere in der schwachdotierten Zone, kann in bekannter Weise mit geeigneten Schutzschichten überzogen werden. Als solche können Lacke wie Silikone oder eine Quarzschicht verwendet werden. In bestimmten lallen ist es vorteilhaft, die Oberfläche am Rand des pn-Überganges, also dort," wo die größten tangentialen Feldstärken auftreten, zu metallisieren oder graphitieren, z.B. in der Umgebung des Punktes 1· Man kann ferner den

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elektrischen Widerstand dieser Schicht vom Punkte 1 ab ansteigen lassen.

In der vorliegenden Beschreibung ist schwach dotiert gleichbedeutend mit hochohmig und eigenleitend, insbesondere mit sehr hochohmig.

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Claims

— σ — Patentansprüche

1. Mehrsehichthalbleiter,. insbesondere Thyristor für Hochspannung -und große Our chgangsleistungen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vermindern der tangentialen Oberflächenfeidstärke die Oberfläche einer schwächer dotierten Zone, welche an zwei Schichten mit umgekehrtem Leitfähigkeitstypus angrenzt, kerbenfö'rmig ausgebildet ist, so daß der Profilwinkel (oC) mit jeder der beiden Sperrschichtflachen (Gr-, bzw. Gp) je einen spitzen, zwischen 2,5 und 30 liegenden Winkel bildet.

2«, Mehrschichthalbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbenkanten (aL) in unmittelbarer Hahe an den Sperrschichtflächen (Gr₁, Gr₂) bis zu einem Winkel von abgeschrägt sind, jedoch rasch mit zunehmender Entfernung von der Sperrschicht^lache
liegenden V/ert abfallen.

von der Sperrschicht^lache auf einen zwischen 2,5 und 30

3. Mehrschichthalbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kerbe innen abgerundet ist.

4-. Mehr schichthalbleiter nach Ansprach 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kerbe symmetrisch ist.

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