DE1439674B2

DE1439674B2 - Steuerbares und schaltbares pn-Halbleiterbauelement für große elektrische Leistungen

Info

Publication number: DE1439674B2
Application number: DE1439674A
Authority: DE
Inventors: Stanislas Paris Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-02-19
Filing date: 1964-02-18
Publication date: 1974-10-31
Also published as: BE643783A; GB1051773A; US3227896A; DE1439674C3; CH422998A; NL6401336A; DE1439674A1

Description

Die Erfindung betrifft ein steuerbares und schaltbares pn-Halbleiterbauelement für große elektrische Leistungen mit einer Halbleiterplatte, die auf der einen, im folgenden als »erste« bezeichneten Hauptoberfläche eine Anzahl im wesentlichen senkrecht zu ihr stehender Erhöhungen vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Platte jedoch mit stärker dotierten Enden und an diesen Enden und an der gegenüberliegenden, im folgenden als »zweite« bezeichneten Hauptoberfläche anliegende ohmsche Elektroden als Hauptelektroden und eine die Erhöhungen mindestens auf einem Teil ihrer Länge umgebende Steuerelektrode mit zwischen Elektrode und Erhöhungen eingelagerten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hat. Solche Halbleiterbauelemente werden als gesteuerte Gleichrichter, Begrenzer, Unterbrecher und Regler für Gleich- und Wechselströme in einem weiten Leistungsbereich verwendet.

Halbleiterbauelemente dieses Typs sind in der deutschen Auslegeschrift 1080696 beschrieben. Sie sind unter der Bezeichnung Unipolartransistor bekanntgeworden .

Legt man zwischen Quellen- und Saugelektrode eine Spannung an, so bildet sich in den Erhöhungen

z. B. ein Fluß von Majoritäts-Ladungsträgern aus, und legt man weiter eine Spannung passender Größe und Richtung zwischen der Steuerelektrode und einer der beiden anderen Elektroden an, so wird dieser Fluß unterdrückt.

Aus der französischen Patentschrift 1317 256 ist weiter ein Unipolartransistor nach Art eines Gridistors bekannt, bei dem die Aufgabe darin bestand, die punktweise Kontaktierung von einzelnen stäbchenförmigen Erhöhungen mit einer flächenhaften Elektrode durch eine Folienkontaktierung zu ersetzen.

Die bisher bekannten Halbleiterbauelemente dieses Typs haben entweder äußere (offene) Erhöhungen in Form von im wesentlichen senkrecht auf einer Hauptoberfläche der Halbleiterplatte stehenden Zähnen oder Stäbchen oder innere Strompfade in Form im Querschnitt kreisförmiger,, quadratischer oder rechteckiger Gebiete im Innern der Halbleiterplatte,

die voneinander durch Gebiete entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt sind.

Die bisher bekannten Halbleiterbauelemente werden im wesentlichen als Verstärker verwendet. Daraus folgt, daß die Diode zwischen der Steuerelektrode und den Erhöhungen bzw. Strompfaden immer im entgegengesetzten Sinne vorgespannt sein muß derart, daß der Steuerstrom gegenüber dem von der Kathode zur Anode fließenden Strom praktisch vernachlässigbar ist, und daß die äußeren Zuleitungen, mindestens zur Anode, ohmisch sein müssen, um die Injektion von Minoritäts-Ladungsträgern zu vermeiden, die eine beträchtliche Erhöhung des Steuerstroms und damit einer Verminderung des Eingangswiderstandes des Verstärkers zur Folge hätte. Diese Bauelemente sind zwar brauchbar als Verstärker, eignen sich aber nicht als gesteuerte Gleichrichter, Begrenzer oder Unterbrecher.

Ausgehend von diesem Stand der Technik soll die Aufgabe gelöst werden, derartige Bauelemente so auszubilden, daß sie auch als gesteuerte Gleichrichter, Begrenzer oder Unterbrecher geeignet sind.

Gesteuerte Gleichrichter, Begrenzer oder Unterbrecher haben zwei bestimmte, voneinander verschiedene Zustandsmerkmale: den leitenden Zustand, in dem die Leitfähigkeit des Bauelementes so hoch wie nur möglich sein muß, und den sperrenden Zustand, in dem es ein möglichst guter Isolator sein muß. Während also im sperrenden Zustand die Wirkungsweise des Bauelements noch derjenigen eines gesperrten Verstärkers ähnelt, so unterscheidet es sich im leitenden Zustand doch völlig, da sein innerer Widerstand dann sehr klein wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eingangs genannte, mit der Elektrode versehene zweite Hauptoberfläche der Halbleiterplatte mit einer dieser gegenüber hochdotierten Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp überzogen ist und daß die Halbleiterplatte zwischen ihren beiden Hauptoberflächen mindestens halb so dick ist wie die kleinste Querschnittsabmessung der Erhöhungen.

Die Erfindung ist als eine Weiterentwicklung des in der deutschen Auslegeschrift 1080 696 beschriebenen Unipolartransistors zu einem bipolaren Transistor aufzufassen, indem die mit der Elektrode versehene Hauptoberfläche der Halbleiterplatte, d.i. die Basis bzw. Basiselektrode, mit einer dieser gegenüber hoch dotierten Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp überzogen wird. Dieser pn-übergang ist elektrisch einer Diode äquivalent. Wird nun im leitenden Zustand zwischen die Steuerelektrode und eine der Hauptelektroden keine Spannung angelegt, so sind der Elektronenstrom von der η-Seite und der Löcherstrom von der p-Seite der Diode einander gleich. Daher ist das für die eine der Elektroden eines Unipolartransistor geläufige Wort Saugelektrode hier nicht mehr am Platze. Die Ein- und Ausgangselektroden des bipolaren Halbleiterbauelements nach der Erfindung wirken jeweils als Quellen-Elektroden für den Elektronenstrom bzw. für den Löcherstrom und werden daher kurz als Hauptelektroden bezeichnet.

Damit die Injektion des Löcherstromes an der Löcherstrom-Quellenelektrode nicht durch die dementsprechende Raumladung begrenzt wird, muß diese zusätzlich eine Aktivierung der Injektion von Majoritäts-Ladungsträgern durch deren Quellenelektrode erhalten. Wäre nämlich die Ladungsstrom-Quellenelektrode ebenso wie die Löcherstrom-Quellenelektrode aufgebaut und besäße eine Verbindung, die einer Diode äquivalent wäre, so wäre sie nicht imstande, den verlangten Ladungsstrom zu liefern. Daraus würde sich eine Begrenzung des Löcherstromes ergeben, und als Folge dessen würde die Stromergiebigkeit pro Oberflächeneinheit der Hauptelektroden der Vorrichtung im leitenden Zustand beschränkt sein. Die in an sich bekannter Weise im gleichen Leitfähigkeitstyp stärker dotierten Enden der Erhöhungen der

ίο Halbleiterplatte bewirken diese Aktivierung. Solche Überdotierungen eines Halbleiterkörpers an seinen Elektrodenflächen sollten bisher nur das Anlöten der Elektrodenplatte erleichtern, haben also im wesentlichen mechanisch-technologische und keine elektrisehe Funktion.

Wie bereits ausgeführt, erzeugt die Steuerelektrode im Sperrzustand des Bauelements in den Erhöhungen eine Raumladung. Damit sich diese Raumladung entwickeln kann, müssen folgende Bedingungen erfüllt

ao sein:

1. Die Löcher müssen von der Steuerelektrode viel schneller abgesogen werden, als sie in die Zone unter ihr einströmen. Sie werden von der Löcherstromelektrode injiziert oder entstehen

*5 thermisch in dieser Zone selbst. Bezüglich der

letzteren gibt es keine Schwierigkeit, da die Zeitkonstante ihres Entstehens um mehrere Größenordnungen über der ihres Verschwindens liegt. Jedoch kann das Absaugen der injizierten Löcher innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit Schwierigkeiten bereiten.

2. Die Injektionsrate der Löcher muß sehr rasch mit dem Entstehen der Raumladungen unter der Steuerelektrode abnehmen. Dadurch läßt sich der Sperrvorgang beschleunigen und seine Zeitkonstante praktisch auf die Zeit verkürzen, in der die zwischen Steuerelektrode und eine der Hauptelektroden angelegte Steuerspannung zur Abschnürung der Strompfade in den Erhöhungen entsteht.

Anders ausgedrückt, ist es notwendig, die beiden sich widersprechenden Forderungen miteinander zu vereinen, nämlich das Vermögen, mittels der Hauptelektrode Ladungsträger in Massen zu injizieren und zugleich eine hohe Stromdichte in den Erhöhungen aufrechtzuerhalten - wesentliche Bedingungen für den leitenden Zustand des Bauelements -, und das Vermögen, diese Ladungsträger durch Absaugen an der Steuerelektrode zu beseitigen und zugleich die Injektion neuer Träger zu unterbinden - wesentliche Bedingungen für den sperrenden Zustand.

Diese Forderungen werden in der Weise erfüllt, daß man die Zeit zur Injektion der Ladungsträger in die Zone unter der Steuerelektrode beträchtlich größer macht als die für ihr Absaugen durch diese Elektrode benötigte Zeit. Dieses Verhältnis wird dadurch eingestellt, daß man die Strecke zwischen Steuerelektrode und der als Löcherstrom-Quellenelektrode wirkenden Hauptelektrode wesentlich größer macht als die kleinste Querschnittsabmessung der Steuerzone.

Hierzu wird erfindungsgemäß die mit der Elektrode versehene zweite Hauptoberfläche der Halbleiterplatte mit einer dieser gegenüber hoch dotierten Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp überzogen und die Halbleiterplatte zwischen ihren beiden Hauptoberflächen mindestens halb so dick ausgeführt wie die kleinste Querschnittsabmessung der Erhöhungen.

Das Sperrverhalten des Bauelements läßt sich verbessern, wenn in Weiterbildung der Erfindung in die hoch dotierte Schicht an der zweiten Hauptoberfläche der Halbleiterplatte fein verteilt und sie in ihrer ganzen Stärke durchsetzend Inseln gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Halbleiterplatte eingelagert sind. Auf diese Weise entsteht ein Mosaik aus Elementen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die mit der Halbleiterplatte in einer Weise reagieren, deren elektrisches Schaltbild als eine durch einen Widerstand überbrückte Diode beschrieben werden kann.

Eine solche Mosaikschicht findet sich zwar auch· schon bei bipolaren Transistoren (vgl. z. B. die französische Patentschrift 1 322 097), jedoch sind dort keine durch den Feideffekt gesteuerten Strompfade vorhanden, und die Mosaikschicht steht in Kontakt mit einer eigenleitenden Zwischenschicht und nicht mit einer, n- oder p-dotierten Schicht, so daß weder ein Strom von Majoritäts-Ladungsträgern zwischen den Außenelektroden auftritt, noch Minoritäts-Ladungsträger an pn-Übergängen produziert werden.

Das Schaltverhalten des Bauelements, d.h.. der Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand, läßt sich verbessern, wenn in Weiterbildung der Erfindung in der Halbleiterplatte zwischen der hoch dotierten Schicht an der zweiten Hauptoberfläche eine Schicht eingelagert ist, in die solche Elemente des Periodischen Systems eindiffundiert sind, die in der Mittelzone des Bandabstandes des verwendeten Halbleitermaterials Niveaus bilden. Eine solche Schicht ist im leitenden Zustand leicht, im sperrenden Zustand jedoch nicht überschreitbar; sie kann von der als Shunt-Diode wirkenden Mosaikschicht getrennt oder mit ihr vereinigt sein. (Zur Unterscheidung von dieser und anderen Schichten wird sie im folgenden als Verzögerungsschicht bezeichnet.)

Im letzteren Falle besteht die Dioden-Schicht aus einer diskontinuierlichen Oxydschicht, die an der Grenzfläche zum Halbleiterkörper die Verzögerungsschicht trägt. Eine solche Schicht mit Rekombinationszentren unterstützt das Verschwinden der Ladungsträger und erlaubt, baulich die Halbleiterplatte zwischen ihren beiden Hauptoberflächen zu verringern, ohne die Querschnittsabmessungen ihrer Erhöhungen zu ändern.

Vorteilhaft wird eine Schaltvorrichtung, bestehend aus einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung, in der Weise betrieben, daß die ohmschen Hauptelektroden an den Enden der Erhöhungen und an der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche der Halbleiterplatte die Eingangs- und Ausgangselektroden für einen äußeren, zu schaltenden Stromkreis sind, während das Potential der Steuerelektrode im leitenden Zustand der Schaltvorrichtung unbestimmt ist und zwischen den Potentialen der beiden anderen Elektroden liegt. Daraus folgt, daß die Steuerelektrode gegenüber den Strompfaden auf einen Teil ihrer Länge positiv, auf einem anderen Teil negativ vorgespannt ist. Sie wirkt also als Relais, das die Ladungsträger beider Vorzeichen absaugt und reinjiziert. Im leitenden Zustand hat die Steuerelektrode also ein zwischen den Potentialen der Hauptelektroden liegendes Potential.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung erläutert sind. In dieser zeigen

F i g. 1 und 2 in vereinfachter Form je ein Halbleiterbauelement mit nur einem Strompfad mit zwei Ausführungsformen der Quelle der Minoritäts-Ladungsträger als durch einen Widerstand überbrückte Diode und als Sperrschicht,

S Fig. 3 und 4 in schematischer Darstellung ausgeführte Bauformen der Halbleiterbauelemente mit äußeren, stäbchenförmigen Strompfaden,

Fig. 5 und 6 ausgeführte Bauformen mit inneren Strompfaden, die durch Gebiete des Hableiterkörpers von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp getrennt sind,

Fig. 7 die Strom/Spannungscharakteristik zwischen den Hauptelektroden für verschiedene Vorspannungen der Steuerelektrode,

¹S Fig. 8 den Verlauf des Steuerstromes in der Steuerelektrode als Funktion der Zeit während des Überganges in den sperrenden Zustand,

Fig. 9 und 10 vergrößerte Darstellungen der Injektor-Flektrode für die Minoritäts-Ladungsträger, Fig. 11 und 12 Schaltungsbeispiele für die Verwendung der Halbleiterbauelemente nach der Erfindung als Wechselstrom-Unterbrecher bzw. gesteuerter Gleichrichter,

Fig. 13 ein Schaubild zur Erläuterung des Verfah-

^a5 rens zur Herstellung der durch einen Widerstand überbrückten Diode an der Elektrode der Minoritäts-Ladungsträger.

In Fi g. 1 der Zeichnung besteht das idealisiert dargestellte Halbleiterbauelement aus einer Platte 1 aus einem Halbleiter vom η-Typ mit einer Anzahl Strompfade, von denen nur einer, nämlich 3, dargestellt ist. Obwohl diese Strompfade auch im Innern der Halbleiterplatte liegen können, ist dieser eine hier als Stäbchen dargestellt, das senkrecht auf der Platte steht.

Es ist auf einem Teil seiner Länge von einer Steuerelektrode 4 umgeben, die mit ihm eine n,p⁺-Verbindung eingeht. Am Ende des Stäbchens sitzt ein stark dotiertes Kopfteil 5, das mit ihm eine n,n⁺-Verbindung bildet. Auf der anderen Hauptfläche der Platte 1, der Basisfläche, ist eine stark dotierte p"¹ Schicht 2 niedergeschlagen oder eindiffundiert, die mit dem Halbleiter eine n,p⁺-Verbindung bildet. Die Randschichten 2 und 5 stellen Anode und Kathode dar. Mittels der Schicht 4 wird der Fluß der Ladungsträger in den stäbchenförmigen Strompfaden moduliert. Die Elektrodenanschlüsse sind mit 6, 7 und 8 bezeichnet.

Wie einleitend erwähnt, ist der Abstand zwischen der Steuerzone 4 und der Anode 2, der den Löcherstrom (den Strom der Minoritäts-Ladungsträger) injizierenden Elektrode - also der Raum, den die injizierten Ladungsträger zu durchlaufen haben, um in die Steuerzone zu gelangen -, wesentlich größer als der innere Bereich der Steuerzone, d. h. als derjenige Abschnitt des Stäbchens 3 (oder dessen kleinste Abmessung, wenn der Querschnitt nicht rund ist) - also der Maximalbereich, den der Löcherstrom im Bereich der Steuerzone durchfließen muß, um abgesogen zu werden.

Jedenfalls sinkt die Injektionsausbeute, d.h. das Verhältnis zwischen der Zahl der an einem Ende injizierten Ladungsträger und der Zahl der am anderen Ende ankommenden Ladungsträger, wenn das Verhältnis zwischen der auf hohem Niveau liegenden Diffusionslänge (d. h. der Dichte der Ladungsträger) und der Länge der Stromfäden von einem Ende zum anderen abnimmt. Diese Abnahme wird sehr kräftig, wenn das Verhältnis unter '/·, sinkt. Es besteht deshalb ein

beträchtliches Interesse, die Dicke der Halbleiterplatte zu begrenzen und als Ersatz das Eintreffen der injizierten Ladungsträger in der Steuerzone zu verzögern in Form einer Verzögerungsschicht, deren Wirksamkeit sich im umgekehrten Verhältnis zur Zahl der Ladungsträger ändert, also im leitenden Zustand des Bauelementes minimal und im sperrenden Zustand maximal ist. Diese Verzögerungsschicht kann durch reine eindiffundierte Schicht von Metallatomen oder eine an eine Oxydschicht des Halbleiters selbst angrenzende Schicht gebildet werden.
; Im Beispiel der Fig. 1 ist eine Verzögerungsschicht 9 aus Nickelatomen in die Unterseite der Basis 1 eindiffundiert. Statt Nickel kann auch Gold, Mangan, Kupfer, Zink, Kobalt, Silber oder Eisen verwendet werden. Man verwendet vorzugsweise Elemente, die in der Mittelzone des verbotenen Bandes des verwendeten Halbleiters Energieniveaus erzeugen können, also Mangan, Eisen, Kupfer, Kobalt, Nickel oder Silber bei Germanium oder Zink, Mangan, Eisen, Kupfer oder Gold bei Silizium.

Sobald die Schicht 9 aufgebracht ist, stellt man die F Verbindung 1-2 her, die einer durch einen Widerstand überbrückten Diode äquivalent sein soll. Diese Verbindung kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden.

In den Fällen der Fig. 1 und 9 wird in die Platte 1 zunächst eine Verunreinigung mittels eines Elementes der Gruppe V des periodischen Systems eindiffundiert, z.B. Phosphor, das eine η⁺-dotierte Schicht 10 (Fig. 1, 9) bildet. Dann diffundiert man über eine Maske (die eine Maske aus Siliziumoxyd sein kann, wenn man einen Halbleiter aus Silizium verwendet) eine Verunreinigung der Gruppe III, z. B. Bor, ein mit einer Konzentration, die wesentlich über der des Phosphors liegt. Die Konzentrationen können z.B. 10²⁰/cm³ bei Bor und 10¹⁸/cm³ bei Phosphor sein. Auf diese Weise erhält man Zonen 11, die Dioden (p⁺, n) bilden und durch die n⁺-Zonen 10 getrennt sind, die Nebenschlußwiderstände zu den Dioden darstellen (Fig. 9).

Fig. 10 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung der durch einen Widerstand überbrückten Saug-, Diode. Mit 1 ist wieder die Halbleiterplatte bezeichnet, die in diesem Falle aus Germanium vom n-Typ bestehen soll. Auf das Plättchen bringt man ein Metallplättchen 12 der Gruppe III, z. B. Indium, auf. Dieses Plättchen ist mit Löchern 13 versehen, in die Pillen 14 eines Elementes der Gruppe V eingesetzt sind. Dieses Element kann eine Legierung aus 5 % Antimon und 95 % Zinn sein. Das Plättchen 12 mit den Pillen 14 wird auf das Plättchen 1 gelegt und mit diesem durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 500 und 600° C legiert. Dort wo das Plättchen 12 keine Pillen hat, bildet es mit der Basisfläche die Dioden 1-2 der Fig. 1, und die Pillen selbst bilden die Shunt-Widerstände 10.

Im Beispiel der F i g. 2 sind mit F i g. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das auf hohem Injektionsniveau überschreitbare Hindernis wird hier von einer Oxydschicht mit einer in der Grenzschicht zwischen dieser und dem Halbleiter liegenden Verzögerungsschicht gebildet. Diese Oxydschicht bildet die Diode der Löcherstromquelle. Auf der unteren Oberfläche der Halbleiterplatte 1 erzeugt man eine Oxydschicht 15. Dies kann nach irgendeinem bekannten Verfahren geschehen, z.B. durch langes Erhitzen in einer sehr sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder durch eine Behandlung mit kochendem Wasserstoffsuperoxyd hoher Konzentration (30 bis 35 %). Auf diese Fläche lötet man mittels einer Blei-Zinn-Legierung eine Metallelektrode 16 auf. Die Löttemperatur wird so gewählt, daß die Oxydschicht an diskreten Stellen 17 perforiert wird. An diesen Stellen hat der Kontakt eine nichtlineare Widerstandscharakteristik. Die Fig. 13 zeigt zwei Kurven, zwischen denen die Temperatur des Lötens liegen

»o muß, um eine Oxydschicht von der Dicke d (in A⁰) stellenweise zu perforieren.

Das Plättchen 16 muß nicht aus einem Werkstoff bestehen oder einen solchen enthalten, der den Halbleiterwerkstoff der Platte 1 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit dotiert. Die verkürzte Diodenstrecke 1-16 läßt sich auf solche Weise aber leichter herstellen. Vorteilhaft ist das Plättchen 16 z. B. ein Akzeptor wie Indium bei einem η-Halbleiter für die Platte 1 oder ein einen Donator enthaltendes Metall wie z. B.

»° antimon-dotiertes Gold bei einem p-Halbleiter.

Das Bauelement nach Fi g. 3 entspricht im Aufbau dem nach Fig. 1, jedoch trägt die Halbleiterplatte 18 mehrere Stäbchen 19. Diese Struktur erhält man aus einem Halbleiterblock (z.B. Germanium oder SiIi-

a5 zium vom η-Typ) durch Ultraschall-Trennschneiden. Sie wird dann in einem Ätzbad chemisch poliert. Ein solches Bad enthält z.B. für Germanium: 15 cm³ Flußsäure, 15 cm³ Essigsäure und 30 cm³ Salpetersäure.

Dann belegt man die freien Stirnflächen der Stäbchen, indem man sie mit Lötzinn 20 überzieht, das ein Element der Gruppe V enthält und z. B. aus 5 % Antimon, 50 % Blei und 45 % Zinn besteht. Bekanntlich bewirkt das Impfen eines Lotes mit Antimon, daß der angrenzende Halbleiter dotiert wird, mit anderen Worten, daß an den Stirnflächen der Stäbchen eine n⁺-Schicht gebildet wird.

Nach erneuter Behandlung in dem chemischen Ätzbad schützt man die Struktur durch einen zellulosehaltigen Überzug, wobei man jedoch die Basis des Halbleiterplättchens freiläßt, die mit einem Nickelniederschlag überzogen wird, z.B. auf elektrolytischem Wege oder durch Aufdampfen im Vakuum oder auch durch chemische Abscheidung unter Wärmewirkung. Diese Nickelschicht soll die Verzögerungsschicht 21 bilden, die man in das Innere des Halbleiters in der später beschriebenen Weise einbringt.

Dann löst man den Schutzüberzug wieder auf und bringt auf die mit Stäbchen besetzte Fläche der Platte eine Lochscheibe aus einem Metall der Gruppe III, z.B. Indium, auf, die soviele Löcher aufweist, wie Stäbchen vorhanden sind, und als Steuerelektrode 22 dient. Auf die Basisfläche bringt man ein Metallplättchen 23 auf, das Pillen 23' enthält, um die ρ⁺-Partie 23 der p⁺,n-Verbindung 18-23 herzustellen.

Ein Plättchen 24 eines Metalls mit verhältnismäßig hohem Schmelzpunkt vervollständig den Aufbau. Das Bauelement wird nun in eine Form eingesetzt und einer Wärmebehandlung bei etwa 550° C unterworfen, um einerseits die n⁺,n-Verbindung an den Stäbchen-Stirnflächen, zum anderen die Indium-Germanium-Legierung der p⁺,n-Verbindung an der Steuerelektrode und schließlich die Nebenschlußverbindung der

Löcherstromquelle herzustellen und die Hauptelektrode 26 anzulöten. Dabei diffundieren gleichzeitig die Nickelatome von der Oberfläche der Halbleiterplatte in diese ein und bilden vor der ρ⁺-Schicht der

409 544/100

Löcherstromquelle 23 die Verzögerungsschicht 21.

Abschließend werden die Ränder der Verbindungen und die angrenzenden Oberflächen des Halbleiters elektrolytisch gereinigt, und das Bauelement wird in ein Kunstharz (z. B. auf Silikon- oder Phenolbasis) eingegossen (nicht dargestellt), wobei man die Außenfläche der Basiselektrode 24 und die Stirnflächen 20 freiläßt. Nun sind nur noch die Elektrodenanschlüsse 25,26 und 27 für Kathode, Anode und Steuerzone anzulöten, dann wird das Ganze in ein mit Anschlußklemmen versehenes Gehäuse (nicht dargestellt) eingesetzt.

Das Bauelement nach F i g. 4 unterscheidet sich von der Prinzipdarstellung in Fig. 2 nur hinsichtlich des Aufbaues der Löcherstromquelle. Diese wird hier auf einer Oberfläche aufgebaut, die nicht nur chemisch poliert, sondern außerdem oxydiert ist, und zwar in einer Stärke von einem bis zu einigen Hundertstel Angström je nach der Temperatur, bei der anschließend der Kontakt aufgelötet wird. Diese Oxydschicht 29 bildet sich übrigens schon gegen Ende des Polierens, wird aber dann noch durch Oxydation in Luft oder in einem Sauerstoffstrom verstärkt. Dauer und Temperatur dieses Verfahrensschrittes richten sich nach der verlangten Schichtdicke. Das Metallplättchen 30, auf das vorher die Elektrode 24 aufgelötet wurde, kann auf die Oxydschicht 29 aufgelötet werden, während die Steuerelektrode 22 den Stäbchen 19 und deren Stirnflächen die n⁺,n-ÜJ>ergänge anlegiert werden. Die Dicke der Oxydschicht wird so eingestellt, daß sie bei einer Temperatur um 550° C an diskreten Stellen perforiert wird. Liegt die Temperatur wesentlich tiefer, z. B. bei 150° C, so bilden sich zuerst die Übergänge 19-22 (p⁺,n) und 19-20 (n⁺,n), dann bildet man die Oxydschicht 29 und lötet die Dublette 20, 30 auf.

Die F i g. 5 und 6 zeigen Halbleiterbauelemente mit inneren Strompfaden 32. Sie liegen im Halbleiterplättchen 33, das z.B. η-leitend sein kann, und sind voneinander durch die Stege eines Siebes oder Gitters 34 vom p⁺-Typ getrennt. Auf einer Oberfläche des Plättchens wird ein n⁺,n-Übergang 33-35 hergestellt, während man auf der anderen Oberfläche im Falle der Fig. 5 eine Rekombinationsschicht 36 eindiffundiert (Widerstand 33-37) entsprechend F i g. 3 und im Falle der Fig. 6 eine Oxydschicht 39 entsprechend Fig. 4 aufbringt.

Fi g. 7 zeigt die Strom-Spannungscharakteristik für verschiedene Vorspannungen an den Steuerzonen (Parameter A-H). Im leitenden Zustand (A) ist die Steuerelektrode sowohl von der Ladungs- als auch von der Löcherstromquelle isoliert, ihr Potential daher unbestimmt. Die Kurven B-H entsprechen zunehmenden Vorspannungen gegenüber der negativen Löcherstromquelle; Kurve H entspricht dem sperrenden Zustand.

Die Kennlinienschar zeigt ein besonderes, den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen eigentümliches Verhalten. In der oberen Hälfte des Quadranten zeigt der Kurvenverlauf das typische Verhalten einer Diode, und zwar um so mehr, je mehr sich die Kurven der Ordinate / nähern, während in der unteren Hälfte die Krümmung entgegengesetzt ist und der Charakteristik einer Penthode entspricht, und zwar wieder um so mehr, je mehr sich die Kurven der Abszisse V nähern. Die hyperbelförmige, gestrichelt eingezeichnete und die Kennlinienschar schneidende Kurve entspricht der maximalen, vom Bauelement zu bewältigenden Schaltleistung bei gegebener Kühlung; sie begrenzt die Kurvenschar auf die ausgezogenen Kurvenstücke. Die Vorzüge eines solchen Kennlinienverlaufs lassen sich aus dem Schaubild leicht ablesen. Es illustriert ausgezeichnet, wie weit sich die widersprechenden Forderungen eines niedrigen statischen Widerstandes im leitenden Zustand und eines hohen Widerstandes im sperrenden Zustand miteinander vereinbaren lassen. Dasselbe gilt für die zugehörigen inneren (differentiellen) Widerstände. Der Steuerstrom nimmt parallel zum Anwachsen der Widerstände ab und wird im sperrenden Zustand bei Dauerbetrieb vergleichsweise sehr klein. Jedoch weist dieser Strom eine beträchtliche Spitze auf in dem Au-

»5 genblick, wo die negative Spannung an die Steuerzone angelegt wird. In dieser Spitze drückt sich das Abwandern der Löcher aus, die sich in diesem Augenblick im Strompfad befinden. Fig. 8 zeigt den Verlauf des Steuerstroms i als Funktion der Zeit im Augenblick des Sperrens; die Stromspitze ist aber nur sehr kurz, im allgemeinen in der Größenordnung einer Mikrosekunde.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben:

^a5 Halbleiterwerkstoff: Germanium mit hinreichend hohem Widerstand (jedoch noch hinreichend unterhalb des Wertes reinen Germaniums),

5 · 10¹² < N_d - N_a < 1,5 - K)¹¹;

Stromdichte in der Basis 20 A/cm²

Spannungsabfall an den

Klemmen im leitenden

Zustand 2 Volt

Sperrspannung zwischen 50 bis 100 Volt

■ Maximale

Betriebsspannung 150 bis 200 Volt

Maximal zulässige

Gegenspannung zwischen
Steuerelektrode und

Löcherstromquelle im

sperrenden Zustand 400 bis 500 Volt

Zahl der Stäbchen 50 bis lOO/cnr

Höhe des Bauelementes
über alles 1 bis 1,5 mm.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Schaltungsbeispiele für die Verwendung des Halbleiterbauelementes als Schalter und als gesteuerter Gleichrichter für Wechselstrom.

Die Schaltung nach Fig. 11 enthält zwei gegensinnig parallelgeschaltete dissymmetrische pn-Halbleiterbauelemente 40, 41, und diese Parallelschaltung liegt in Reihe mit einer Wechselstromquelle 42 und einer Belastung 43. Das Steuerungsproblem kompliziert sich hier insofern, als die Hauptelektroden abwechselnd Löcher- und Ladungsstromquellen sind, die Steuerspannung also abwechselnd zwischen der Steuerelektrode und der einen oder anderen Hauptelektrode angelegt werden muß. Zur Steuerung des Stromes muß die Spannung zwischen Steuerelektrode und einer der Hauptelektroden mindestens gleich der vollen Sperrspannung V₀ sein. Dies ließe sich, würde man die Steuerspannung einfach zwischen Steuer- und einer Hauptelektrode anlegen, nur erreichen, wenn die Steuerspannung mindestens gleich V₀ + V₁ wird, wobei V_s die elektromotorische Kraft der Wechselstromquelle 42 ist. Mithin würde die Spannung zwischen der Steuerelektrode und der nicht gesteuerten

Hauptelektrode V₀ + 2 V_s werden, wenn letztere Löcherstromquelle ist. Mithin würde für den gleichen Sicherheitsfaktor, den man beim sperrenden Zustand der Vorrichtung für die Diodenwirkung der Steuerelektrode in Gegenrichtung zugrunde legt, die zulässige Betriebsspannung zweimal kleiner sein, als wenn die Steuerspannung gleich V₀ wäre. Um diesen Wert einhalten zu können, müßte aber die Steuerspannung zwischen Steuerelektrode und abwechselnd die eine oder andere Hauptelektrode angelegt werden, und zwar immer gerade an diejenige, die im Augenblick Ladungsstromquelle ist.

Diese Schwierigkeiten werden im Beispiel der Fig. 11 dadurch überwunden, daß die Vorspannungsquelle 44 mit dem Schalter 45 in Reihe über je eine Diode 46 und 47 an die beiden Hauptelektroden der gegensinnig parallelgeschalteten Halbleiterbauelemente 40, 41 angelegt wird. Aufgabe dieser beiden Dioden ist, die Steuerelektroden gegenüber der im jeweiligen Augenblick negativeren Klemme vorzuspannen. Der an den Klemmen der Vorspannungsquelle 44 liegende Kondensator 48 hat die Energie für die Spitzen zu speichern, die zu Beginn des Sperrvorganges im Steuerstrom auftritt (vgl. Fig. 8). Weitere, zur Optimierung der Schaltung bestimmte Schaltungselemente 48', 49, 50 und 51 sind mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Der Widerstand 48' und die Kondensatoren 49 und 50 erlauben, die Zeitkonstante einzustellen, mit der sich die Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode und der jeweils angeschlossenen Hauptelektrode aufbaut; mit dem Kondensator 51 läßt sich die Geschwindigkeit einstellen, mit der die Spannung über den Hauptelektroden wiederkehrt.

Fig. 12 zeigt das Schaltbild eines gesteuerten Leistungsgleichrichters mit einem pn-Halbleiterbauelement. Eine Wechselspannungsquelle 54 liegt in Reihe mit einer Belastung 55 an den Klemmen des Bauelements 63. Der Vorspannungskreis enthält wieder eine Vorspannungsquelle 61, einen Widerstand 53 und zwei Dioden 52, 62, deren Aufgabe mit derjenigen der Dioden 46 und 47 in Fig. 11 übereinstimmt. Die Schaltung der Fig. 12 lehnt sich an die bekannten Schaltungen der gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichter an. Das Bauelement 63 wird gesperrt, wenn eine Gleichspannung geeigneten Vorzeichens aus der Stromquelle 61 dauernd angelegt wird, und es wird zu gegebenen Zeiten für kurze Augenblicke durch Impulse entgegengesetzten Vorzeichens aufgetastet, die die Gleichspannung an der Steuerelektrode kompensieren. Diese Impulse 60 werden an die Klemmen 59 gelegt und über den Widerstand 53 in den Vorspannungskreis eingegeben. Wie in der Figur angedeutet, folgt dem Auftastimpuls ein Impuls entgegengesetzten Vorzeichens, mit dem der sofortige Übergang in den sperrenden Zustand sichergestellt wird. Statt dessen kann man auch zwischen Steuerelektrode und jede der Hauptelektroden einen Kondensator 56 und 57 und zwischen die Hauptelektroden einen weiteren Kondensator 58 schalten, mit denen man, falls erwünscht, die Änderungsgeschwindigkeiten der Sperr- und der Auftastspannung zwischen der Steuerelektrode und jeder Hauptelektrode sowie zwischen den Hauptelektroden selbst regeln kann.

Es sei noch bemerkt, daß im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 die Steuerelektrode während des leitenden Zustandes der Schaltvorrichtung nicht auf freiem Potential liegt. Macht man den Widerstand 53 jedoch größer als den Innenwiderstand des Bauelementes im leitenden Zustand, so wird die Vorspannung der Steuerelektrode von dem die Vorrichtung durchsetzenden Strom bestimmt und nicht von dem schwächeren, durch den Widerstand 53 fließenden Strom. Wird als Beispiel der Strom im leitenden Zustand mit 10 A angenommen bei einem Spannungsabfall von 2 Volt an den Klemmen, so ist der innere Widerstand 0,2 Ohm; für den Widerstand 53 genügt dann ein Wert von 5 Ohm.

Die Schaltung nach Fig. 12 hat den Vorteil, daß man jeden Bruchteil des Wechselstromes gleichrichten kann, ohne daß man eine Leistungsdiode in Reihe schalten muß, die außer einer beträchtlichen Verteuerung durch ihre Verluste auch eine Erhöhung des Spannungsabfalles in der Schaltvorrichtung während des leitenden Zustandes zur Folge hat. Darüber hinaus bietet die Schaltung jede Möglichkeit der Anwendung zur Gleichrichtung mehrphasiger Wechselströme ohne Begrenzung der Phasenzahl und, allgemeiner gesprochen, zur beliebigen Unterbrechung von Wechselströmen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares und schaltbares pn-Halbleiterbauelement für große elektrische Leistungen mit einer Halbleiterplatte, die auf der einen, im folgenden als »erste« bezeichneten Hauptoberfläche eine Anzahl im wesentlichen senkrecht zu ihr stehender Erhöhungen vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Platte, jedoch mit stärker dotierten Enden und an diesen Enden und an der gegenüberliegenden, im folgenden als »zweite« bezeichneten Hauptoberfläche anliegende ohmsche Elektroden als Hauptelektroden und eine die Erhöhungen mindestens auf einem Teil ihrer Länge umgebende Steuerelektrode mit zwischen Elektrode und Erhöhungen eingelagerten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps hat, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Elektrode (6 bzw. 24) versehene zweite Hauptoberfläche der Halbleiterplatte (1,18 bzw. 33) mit einer dieser gegenüber hoch dotierten Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (11, 23, 37) überzogen ist und daß die Halbleiterplatte (1, 18 bzw. 33) zwischen ihren beiden Hauptoberflächen mindestens halb so dick ist wie die kleinste Querschnittsabmessung der Erhöhungen (3, 19 bzw. 32).

2. pn-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die hoch dotierte Schicht (11,23,37) an der zweiten Hauptoberfläche der Halbleiterplatte fein verteilt und sie in ihrer ganzen Stärke durchsetzend Inseln (10, 23', 37') gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Halbleiterplatte (1,18 bzw. 33) eingelagert sind (Mosaikschicht).

3. pn-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterplatte (1,18 bzw. 33) zwischen der hoch dotierten Schicht (11,23,37) an der zweiten Hauptoberfläche und den Erhöhungen (3, 19 bzw. 32) auf der gegenüberliegenden ersten Hauptoberfläche eine Schicht (9, 21, 36) eingelagert ist, in die solche Elemente des Periodischen Systems eindiffundiert sind, die in der Mittelzone des Bandabstandes des verwendeten Halbleitermaterials Niveaus bilden.

4. pn-Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterplatte (1, 18 bzw. 33) auf ihrer mit der Elektrode (6, 24) versehenen zweiten Hauptoberfläche mit einer perforierten Oxydschicht (15,29) des Halbleitermaterials überzogen ist, auf die ein Metallplättchen (16, 30) aufgelötet ist, das durch die Perforationen hindurch mit der Halbleiterplatte Kontakt macht.

5. pn-Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine η-leitende Halbleiterplatte (11,18) und ein Plättchen (16, 30) aus einem Metall der Gruppe III des Periodischen Systems.

6. pn-Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine p-leitende Halbleiterplatte (1,18) und ein Plättchen (16, 30) aus einer ein Metall der Gruppe V des Periodischen Systems enthaltenden Legierung.

7. pn-Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit stäbchenförmigen Erhöhungen auf der ersten Hauptoberfläche der Halbleiterplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode aus einer metallischen Lochplatte (22) besteht, die so viele Löcher aufweist, wie Stäbchen (19) vorhanden sind, durch welche diese Stäbchen (19) hindurchführen, und die mit den Stäbchen (19) legiert ist und Gleichrichterkontakte bildet (Fig. 3, 4).

8. Schaltvorrichtung, bestehend aus einem pn-Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Hauptelektroden (6, 7) an den Enden der Erhöhungen und an der gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche der Halbleiterplatte die Eingangs- und Ausgangselektroden für einen äußeren, zu schaltenden Stromkreis sind, während das Potential der Steuerelektrode (8) im leitenden Zustand der Schaltvorrichtung unbestimmt ist und zwischen den Potentialen der beiden Hauptelektroden (6, 7) liegt.