DE1489168A1 - Gesteuerter Gleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Gesteuerter Gleichrichter und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
"Gesteuerter Gleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung"
Die Erfindung bezieht sich auf einen gesteuerten Gleichrichter, der einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden
Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps aufweist, bei dem
eine der äusseren Zonen die Emitterzone bildet und die an diese Zone grenzende Zone, die Steuerzone, einen unter dieser
Emitterzone liegenden Teil und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, auf dem ein Anschluß,
der Steueranschluß, angeordnet ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen gesteuerten Gleichrichters.
Gesteuerte Gleichrichter weisen in der Durchlaßrichtung zwei stabile Zustände auf. Bei zunehmender Spannung zwischen den
äusseren Zonen in der Durchlaßrichtung befindet der gesteuerte Gleichrichter sich zuerst in einem schlecht leitenden
stabilen Zustand, bei dem ein kleiner, im wesentlichen konstanter Strom den Gleichrichter durchfließt. Erreicht die»
Spannung eine bestimmte Größe, die Umschlagspannung, so kommt der gesteuerte Gleichrichter in einen gut leitenden
stabilen Zustand, bei dem die Spannung am Gleichrichter plötzlich stark abnimmt und bei dem dann bei zunehmender
Spannung der Strom durch den Gleichrichter zunimmt.
Gesteuerte Gleichrichter können vom schleoht leitenden in den gut leitenden Zustand mittels eines Steuerstromes Über
den Steueransohluß gesteuert (gezündet) werden. Auf diese
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Weise kann man mittels eines kleinen Stromes« des Steuerstromes,
einen viel grösseren Strom durch den Oleichrichter
sohaiten. Der gesteuerte Oleichrichter kann so z.B. als
elektrisch gesteuerter Schalter wirken.
In der Praxis ist es in vielen Fällen erwünsoht, daß der
Steuerstrom, bei dem der gesteuerte Gleichrichter vom sohleoht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert
wird, der Zündet rom, klein ist, während die Umsohlagspannung
hooh ist. Dies sind entgegengesetzte Anforderungen, da im allgemeinen bei gesteuerten Oleichriohtern mit einer höheren
Umschla^epannung ein grösserer Zündstrom erforderlich ist.
Die Erfindung zielt u.a. darauf ab, bei gesteuerten Oleichriohtern
auf einfache Weise kleinere Zündströme möglich zu machen, und im besonderen gesteuerte Oleichriohter zu schaffen,
bei denen eine hohe Umschlagspannung kombiniert mit einem kleinen ZUndstrom möglich 1st.
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, da£ die Steuerung von schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand
bein Erreichen einer bestimmten Steuerströndichte im unter
der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone stattfindet, und dafi ei ausreichend ist, wenn diese bestimmte Steuerstroediohte
in einem begrenzten Teil des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone erreicht wird.
Oeaäfl der Erfindung ist ein gesteuerter Oleiohriohter der eingangs
erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dafl der Steuerstrom
in der Steuerzone zwischen den Steueranschluß und dem
unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den dem Steueranschlufi zugewendeten Rand des unter der Emitterzone
liegenden Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über
einen Teil seiner'Länge passieren kann.
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Unter dem dem Steueranschluß zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone ist hier der Tel},
des ftandes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der
Steuerzone zu verstehen, von dem jeder Punkt mittels eines im freiliegenden Teil der Steuerzone liegenden geradlinigen
Stücks mit dem Steueranschluß verbunden werden kann.
Well der Steuerstrom im wesentlichen nur einen kleinen Teil
des erwähnten dem Steueranschluß zugewendeten Randes passieren kann, tritt bei einem bestimmten Steuerstrom örtlich im unter
der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone, nämlloh beim erwähnten Teil des dem Steueranschluß zugewendeten Randes,
eine grössere Stromdichte auf, als wenn der Steuerstrom den dem Steueranschluß zugewendeten Rand über seiner ganzen Länge
leicht passieren kann. Dies bedeutet, daß die Steuerung vom schlecht leitenden Zustand in den gut leitenden Zustand bei
einem kleineren Steuerstrom stattfindet, mit anderen Worten, daß der Zündstrom kleiner ist.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für gesteuerte
Gleichrichter, bei denen die Emitterzone und die Steuerzone durch Diffusion von Dotierungssubstanzen erhalten sind.
eine
Ist die Emitterzone z.B. durch Aufschmelzen eines/Dotierungssubstanz enthaltenden Materials erhalten, so 1st die Grenzfläche zwischen der Emitterzone und der Steuerzone gewöhnlich weniger-regelmäßig als bei einer durch Diffusion von
Dotierungssubstanz erhaltenen Emitterzone; dies hat zur Folge, daß bei einem gesteuerten Gleichrichter mit einer durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenden Materials
erhaltenen Emitterzone der Steuerstrom durch die erwähnten Unregelmäßigkeiten bereits etwas kleiner sein kann, wodurch
eine Maßnahme gemäß der Erfindung bei einem solchen gesteuerte 4 -
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ten Oleichrichter eine etwas geringere Wirkung als bei einem
Oleichrichter mit einer durch Diffusion von Dotierungssubstanz erhaltenen Emitterzone hat.
Bei einer wichtigen Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters
nach der Erfindung ist der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich bis in die Nähe des dem Steueranschluß zugewendeten
Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt,
wodurch der Steuerstrom im wesentlichen nur den genannten Rand über einen Teil seiner Länge passieren kann. Letzteres
wird jedoch auch erzielt, wenn z.B. die Steuerzone eine durch örtliche Diffusion in eine Oberfläche des Halbleiterkörpers
erhaltene Zone ist, wobei der freiliegende Teil der Steuerzone sich nur über einen kleinen Teil der Länge des dem
Steueranschluß zugewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone an diesen letzteren Teil der
Steuerzone anschließt.
Eine weitere wichtige Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im freiliegenden Teil der Steuerzone und an der Oberfläche
diese» Teiles eine diffundierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem der Steuerzone, aber mit einer '
grösseren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des freiliegenden Teiles angeordnet
ist, und daß diese Oberflächenschicht örtlich bis in die Nähe des dem Steueranschluß zugewendeten Randes des unter
der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens teilweise entfernt ist. Die erwähnte Oberflächenschicht, die niederohmig
ist, hat den Vorteil, daß der Steuerstrom im freiliegenden Teil im wesentlichen nur diese Oberflächenschicht durchfließt
und daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich nur über eine Dicke etwa gleich der Dicke dieser Ofoerflächen-
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schicht entfernt zu werden braucht, um den Steuerstrom Im
wesentlichen Im übrigbleibenden Teil dieser Oberflächenschicht
zu begrenzen. Weiter ist hierbei, insbesondere wenn eine durch Diffusion von Dotierungssubstanz erhaltene Emitterzone
verwendet wird, ein niedrigerer Steuerstromwiderstand im freiliegenden Teil der Steuerzone möglich.
Obwohl der Halbleiterkörper aus einer Halbleiterplatte mit einer willkürlichen Form bestehen kann, wird eine besonders
zweckmäßige und erfolgreiche Ausführungsform gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine
Halbleiterplatte etwa in Form eines Kreissektors ist, in der die vier Zonen sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen
der Platte erstrecken und bei der der Steueranschluß in der Nähe der Spitze des Sektors angeordnet ist und der dem
Steueranschluß zugewendete Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone in einem grösseren Abstand von
der Spitze des Sektors als der Steueranschluß liegt. Vorzugsweise
ist hierbei der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines
sich zwischen dem Steueranschluß und dem unter der Emitterzone
liegenden Teil der Steuerzone erstreckenden Teiles des erwähnten freilegenden Teiles entfernt.
Eine andere wichtige Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone
ringförmig sind, wobei der freiliegende Teil der Steuerzone, auf dem der Steueranschluß angeordnet ist, im erwähnten
ringförmigen Teil der Steuerzone liegt, und daß längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes dieses ringförmigen
Teiles der Steuerzone der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist. Diese Aus-
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führungsform ist von besonderer Bedeutung zum Steuern großer Leistungen. Vorzugsweise ist der freiliegende Teil der Steuerzone
wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens
über einen Teil seiner Dicke entfernt.
Eine besonders günstige Ausführungsform eines gesteuerten Oleichrichters nach der Erfindung ist diejenige, bei der die
Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone eine Ausbauchung in Richtung des Steueranschlusses aufweisen
und der Steuerstrom im freiliegenden Teil der Steuerzone im wesentlichen nur zwischen dem Steueranschluß und der
Ausbauchung fließen kann.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung
eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterkörper
mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps ausgegangen wird, wobei die an eine
äussere Zone, die Emitterzone, grenzende Zone, die Steuerzone, einen unter der Emitterzone liegenden Teil und einen auf der
Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, und daß auf einem Teil des freiliegenden Teiles eine Maskierung angebracht
wird, die sich an eine auf der Emitterzone angeordnete Maskierung anschließt, worauf der nicht maskierte Teil des
freiliegenden Teiles, welcher nicht maskierte Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter der Emitterzone liegenden
Teiles der Steuerzone erstreckt, wenigstens über einen Teil seiner Dicke, z.B. durch Ätzen, entfernt wird, wodurch ein
Steuerstrom im freiliegenden Teil zwischen einem auf dem maskierten Teil angeordneten Steueranschluß und dem unter der
Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den dem Steueranschluß
zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden
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Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil
seiner Länge passieren kann.
Vorzugsweise wird auch, mit Ausnahme der Stelle, an der die
auf der Emitterzone angeordnete Maskierung sich an die auf einem Teil des freiliegenden Teiles der Steuerzone angeordnete
Maskianng anschließt, ein Randteil der Emitterzone entfernt. Hierdurch wird die oben erwähnte Ausbauchung der Emitterzone
und des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone erhalten.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren nach der Erfindung, bei dem, bevor die Maskierung auf einem Teil des freiliegenden
Teiles der Steuerzone angeordnet wird, in die Oberfläche des freiliegenden Teiles Dotierungssubstanz vom gleichen Leitfähigkeitstyp
wie demjenigen der Steuerzone hineindiffundiert werden, wodurch eine diffundierte Oberflächenschicht vom
gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone und mit einer grösseren Leitfähigkeit als derjenigen des unter
dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des erwähnten freiliegenden Teiles erhalten wird.
Als eine Maskierung auf der Emitterzone kann ein auf dieser Zone angeordneter Emitteranschluß dienen, und auf dem freiliegenden
Teil der Steuerzone kann eine gesonderte, sich an den Emitteranschluß anschließende Maskierung angeordnet werden. Hierbei
können jedoch während der Entfernung von nicht maskierten Teilen vom freiliegenden Teil Unregelmäßigkeiten beim Anschluß
der beiden Maskierungen entstehen. Daher ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß die Maskierung auf dem freiliegenden Teil der Steuerzone und die Maskierung auf der Emitterzone als ein
Ganzes In einem einzigen Arbeitsgang angeordnet werden. Vorzugsweise
wird dabei, ehe die Maskierung angebracht wird, die
Emitterzone mit einem Emitteranschluß versehen und zugleich
der Steueranschluß angebracht, wonach die Maskierung auf diesen Anschlüssen und einem sie umgebenden Oberflächenteil
des Halbleiterkörpers angeordnet wird.
Der obenerwähnte, sektorförmige Halbleiterkörper kann auf einfache
Weise und mit besonders wenig Verlusten an Halbleitermaterial dadurch erhalten werden, daß eine im wesentlichen
runde Halbleiterscheibe mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps in Sektoren unterteilt wird.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Pig. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine
Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung, von dem
Fig. 2 schematisch in Draufsicht und
Fig. 5 schematisch einen Querschnitt längs der Linie III-III
in Fig. 2 zeigt, während
Fig. 4 einen Teil des Querschnitts nach Fig. 5 in vergrössertem
Maßstab darstellt.
Die Fig. 5, 6, 7, 8 und 11 zeigen schematisch Querschnitte
eines Halbleiterkörpers in verschiedenen Stufen während der Herstellung eines gesteuerten Oleichrichters
nach den vorangehenden Figuren, wobei
die Fig. 9 und 10 schematisch eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper
nach Fig. 8 bzw. Fig. 11 darstellt, wobei
Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linie XI-XI in Fig. 10 zeigt.
Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper nach Fig. 11 bei einem etwas abgeänderten Herstellungsverfahren.
-Q-
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Pig. 13 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine andere
Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters
nach der Erfindungi von dem
die Fig. 14 und 15 schematisch Querschnitte längs der Linie
XIV-XIV bzw. XV - XV in Fig. 13 darstellen.
Fig. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleiterplatte, die
für eine weitere Ausbildungsform eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung geeignet ist.
Die zu beschreibenden AusfUhrungsbeispiele beziehen sich auf
gesteuerte Gleichrichter, die einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps
aufweisen, wobei eine der äusseren Zonen die Emitterzone bildet und die an sie grenzende Zone, die Steuerzone, einen unter
der Emitterzone liegenden Teil und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, auf dem der Steueranschluß
angeordnet ist, und wobei nach der Erfindung der Steuerstrom zwischen dem Steueranschluß und dem unter der
Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den dem Steueranschluß zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden
Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil
seiner Länge passieren kann; bei den zu beschreibenden AusfUhrungsbeispielen
wird diese letztere Wirkung dadurch herbeigeführt, daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich und
bis in die Nähe des dem Steueranschluß angewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenig·
stens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.
Beim ersten Ausführungsbeispiel (siehe die Fig. 1, 2 und 3)
besteht der Halbleiterkörper aus einer Halbleiterplatte 1 etwa in Form eines Kreissektors, bei dem die vier Zonen 2,
3, 4 und 5 sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seltenflächen
der Platte 1 erstrecken, der Steueranschluß 9 in der
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Nähe der Spitze 10 des Sektors angeordnet ist und der dem Steueranschluß 9 zugewendete Rand A, B, C, D des unter der
Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 in grösserem Abstand von der Spitze P als der Steuerkontakt 9 liegt.
Der freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist über-einen
Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich zwischen dem Steueranschluß 9 und dem unter der Emitterzone 5 liegenden
Teil 6 der Steuerzone 4 erstreckenden Teiles 7 des freiliegenden Teiles 7, 8 entfernt. Der freiliegende Teil 7, 8 enthält
also einen dünnen Teil 8 und einen dicken Teil 7, und der Steuerstrom im freiliegenden Teil 7, 8 durchfließt im wesentlichen
den dicken Teil 7 und passiert nur den Teil B, C des Randes A, B, C, D. Hierdurch wird erreicht, daß bei einem
gegebenen Steuerstrom die Steuerstromdichte örtlich in dem unter der Emitterzone 5 liegenden Teil 6 der Steuerzone 4,
nämlich in der Umgebung des Randteiles B, C grosser 1st, als
wenn der Steuerstrom den ganzen dem Steueranschluß 9 zugewendeten Rand A, B, C, D leicht passieren kann. Wie bereits erwähnt,
hat dies zur Folge, daß der gesteuerte Gleichrichter mittels kleinerer Steuerströme vom schlecht leitenden in den
gut leitenden Zustand gesteuert werden kann, was für gesteuerte Gleichrichter mit hohen Umschlagspannungen von besonderer
Bedeutung 1st.
Bei bekannten Typen von gesteuerten Gleichrichtern nimmt nämlich im allgemeinen der ZUndstrom (der Steuerstrom, bei dem
Steuerung in einen anderen stabilen Zustand stattfindet) bei zunehmender Umschlagspannung zu, wodurch es gerade bei Typen
mit einer hohen Umschlagspannung von Bedeutung 1st, den ZUndstrom herabzusetzen und dadurch die Anwendungsmöglichkeiten
zu vergrössern oder sogar die Anwendung möglich zu machen.
Es wird bemerkt, daß die Emitterzone mit einem Emitteranschluß
10 versehen ist, der ebenso wie der Steueranschluß 9 in Pig.l
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deutlichkeitshalber mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist und daß die untere Zone 2 mit einem Anschluß 11 versehen
ist.
Der freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist vorzugsweise mit einer Oberflächenschicht 16 (siehe Fig. 4, in der ein
Teil des Querschnittes nach Fig. 3 in vergrössertem Maßstab dargestellt ist) mit einer grösseren Leitfähigkeit als derjenigen
des unter der Schicht 16 liegenden Teiles 17 und mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen dieses
darunterliegenden Teiles 17 versehen, wobei diese Oberflächenschicht l6 örtlich bis in die Nähe des dem Steueranschluß 9
zugewendeten Randes A, B, C, D des unter der Emitterzone liegenden
Teiles 6 der Steuerzone 4 wenigstens teilweise entfernt ist, d.h. die Oberflächenschicht 16 keinen oder im wesentlichen
keinen Teil des Innenteiles 8 des freiliegenden Teiles 7, 8 der Steuerzone 4 bildet.
Die Oberflächenschicht 16 bringt den Vorteil mit sich, daß
mittels ihrer ein niedriger Steuerstromwiderstand im freiliegenden Teil der Steuerzone erreichbar ist und bei der Herstellung
der freiliegende Teil nur örtlich über eine kleine Dicke (etwa gleich der Dicke dieser Oberflächenschicht) entfernt
zu werden braucht, damit der Steuerstrom im wesentlichen im restlichen Teil der Oberflächenschicht begrenzt wird.
Es wird bemerkt, daß es nicht erforderlich ist, daß der freiliegende
Teil 7* 8 einen dünnen Teil 8 aufweist. Der freiliegende
Teil kann auch örtlich über seine ganze Dicke entfernt
sein, wodurch der dünne Teil 8 nicht vorhanden ist.
Die Emitterzone 5 enthält eine Ausbauchung 20 in Richtung des
Steuerkontaktes 9. Hierdurch enthält der unter der Emitter-
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zone 5 liegende Teil 6 der Steuerzone 4 ebenfalls eine solche
Ausbauchung. Der Steuerstrom fließt im wesentlichen zwischen dem Steueranschluß 9 und der Ausbauchung des unter der Emitterzone
5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4, was auf die Eigenschaften des gesteuerten Gleichrichters einen günstigen
Einfluß hat.
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung des beschriebenen gesteuerten
Gleichrichters beschrieben, bei dem auch Angaben über Abmessungen,
Materialien und dergleichen des gesteuerten Gleichrichters gegeben werden.
In die Oberflächen einer η-leitenden Siliziumscheibe 30 (Fig. 5) mit einem Durchmesser von etwa 18 mm, einer Dicke
von etwa 250 /um und einem spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm.cm wird Aluminium hineindiffundiert. Zu diesem Zweck
wird die Scheibe 30 in ein pulverförmiges Gemisch aus Aluminiumoxyd
und Silizium/gebettet und etwa 6 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre auf einer Temperatur von etwa 1215°C gehalten.
Hierdurch wird eine p-leitende Zone 31 (Fig. 6) mit einer Dicke von etwa 36 /um und einer Oberflächenkonzentration
■ι p / -z
von etwa 10 Aluminiumatomen/cm^ erhalten, während die innere
Zone 33 die ursprüngliche η-Leitfähigkeit der Platte 30 beibehält.
In die p-leitende Zone 31 wird eine η-leitende Zone 32 (Fig.7)
hineindiffundiert. Zu diesem Zweck wird in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre die Scheibe 30 etwa 3 Stunden auf einer
Temperatur von etwa 12100C gehalten und in der Umgebung der
Scheibe 30 eine Menge P2 0C auf etwa 250°C gehalten. Hierdurch
wird die η-leitende Zone 32 mit einer Oberflächenkonzentration
von etwa 10 Phosphoratomen/cnr und einer Dicke von etwa
14/α erhalten.
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Auf eine in der Halbleiterteehnlk übliche Weise, z.B. mittels
Maskierens und Ätzens, werden die Zonen 51 und 52 am Rande der Scheibe 50 weggeätzt und die Zone 32 außerdem auf der
Unterseite der Scheibe J5o entfernt. Weiter wird ein kreisförmiger
Teil mit einem Durchmesser von etwa 7 ram von der Zone 52 auf der Oberseite der Scheibe 50 entfernt, wodurch
ein kreisförmiger Oberfläohenteil 40 der Zone 52 frei wird.
Es entsteht so die Konfiguration nach den Fig. 8 und 9 (wobei die Zone 51 in die Zonen 57 und 58 aufgeteilt worden ist).
Die Scheibe 50 hat z.B. noch einen Durchmesser von etwa 17 mm«
Die Scheibe 50 kann Jetzt z.B. längs der Linien 54 in sechs
Sektoren unterteilt werden, wodurch sektorförmige Halbleiterkörper 40 (siehe die Fig. 10 und 11) mit vier aufeinanderfolgenden
Zonen 2, 5> ^ und 5 abwechselnden Leitfähigkeitstyps
erhalten werden. Die an die äussere Zone 5» die die Emitterzone bildet, grenzende Zone 4, die Steuerzone, hat einen
unter der Emitterzone liegenden Teil 6 und einen freiliegenden Teil 55. Die Unterteilung in Sektoren kann z.B. durch
Sägen erfolgen.
Darauf wird ein Teil des freiliegenden Teiles 55 mit einer sich an eine auf der Emitterzone 5 angeordnete Maskierung
anschließenden Maskierung versehen, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles 55, welcher nicht maskierte
Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter der Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 erstreckt, wenigstens
über einen Teil seiner Dicke, z.B. durch Ätzen, entfernt wird, wodurch ein Steuerstrom zwischen einem auf dem
maskierten Teil angeordneten Steueranschluß und dem Teil 6 den dem Steueransohluß zugewendeten Rand des unter der Emitterzone
liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann.
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Vorzugsweise wird die Maskierung auf der Emitterzone 5 und
dem freiliegenden Teil 35 als ein Gebilde 36 (in Pig. IO
schraffiert dargestellt) angeordnet, wie noch nachstehend erläutert wird.
Ehe die Maskierung 36 angeordnet wird, wird der Emitteranschluß
10 und auch der Steueranschluß 9 angebracht und dann die Maskierung 36 auf diesen Anschlüssen und einem umgebenden
Oberflächenteil des Halbleiterkörpers 40 angeordnet, wie in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Maskierung 36 erstreckt sich nicht ganz bis zum Rande der Emitterzone 5* so daß auch ein Randteil der Emitterzone 5 entfernt
werden kann, mit Ausnahme der Anschlußstelle der Maskierung auf der Emitterzone 5 an die Maskierung auf dem freiliegenden
Teil 35.
Die Maskierung 36 besteht z.B. aus einem Wachs, wie Apiezon-
wachs, das z.B. mit Toluol wieder entfernt werden kann.
Der Emitteranschluß 10 und auch der Steueranschluß 9 können
bereits auf der Scheibe JO (Fig. 8 und 9) angeordnet werden,
ebenso wie die Anschlüsse 11 auf der unteren Zone 38 in Fig. (die Zone 2 in Fig. ll).
Der nioht maskierte Teil des freiliegenden Teiles 35 wird
jetzt Über einen Teil seiner Dicke und dabei auch ein unbedeckter Randteil der Emitterzone 5 weggeätzt, z.B. in einem
aus 1 Teil Fluorwasserstoffsäure (48#) und 25 Teilen Salpetersäure (65 %) bestehenden Ätzmittel während etwa 3 Minuten, wodurch die Konfiguration nach den Fig. 1-3 erhalten wird.
Die in bezug auf Flg. 4 beschriebene Oberflächenschicht 16 ist jedoch nicht vorhanden.
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Eine solche Oberflächenschicht wird vorzugsweise jedoch angebracht;
sie kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß vor dem Anbringen der Maskierung 36 (Fig. 10), Dotierungssubstanz vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der
Steuerzone 4 in die Oberfläche des freiliegenden Teiles 35 der Steuerzone 4 hineindiffundiert werden. Vorteilhaft findet
diese Diffusion bereits in die freiliegende Oberfläche 40 (Fig. 8 und 9) der Zone 37 statt, ehe die Anschlüsse 9 angebracht
werden.
So wird z.B. Gallium in die Oberfläche 40 hineindiffundiert. Zu diesem Zweck wird die Scheibe 30 auf einer Schicht aus einem
pulverförmigen Gemisch aus Aluminiumoxyd und mit Gallium dotiertem
Silizium angeordnet und zugleich in der Umgebung der Scheibe 30 eine Menge Gallium angeordnet. Das Gallium und die
Scheibe JO werden in etwa drei Stunden in einer trockenen
Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1190°C gebracht. Hierbei diffundiert Gallium in die Oberfläche 40
hinein und bildet dort eine Oberflächenschicht 49 mit einer
grösseren Leitfähigkeit als der des restlichen Teiles der
Zone 37, aber vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Das pulverförmige
Siliziumy und Aluminiumoxyd-Gemisch bildet Siliziumdampf und Aluminiumdampf, wodurch von der Siliziumscheibe 30 im wesentlichen
kein Silizium verdampft und aus dieser Scheibe weiter im wesentlichen kein Aluminium herausdiffundiert.. Es
hat sich gezeigt, daß während dieser Diffusionsbehandlung eine gesonderte Maskierung der Zone 32 überflüssig ist.
In der Zone 38 wird auch durch Diffusion von Gallium eine niederohmige
Oberflächenschicht 50 erhalten, auf der vorteilhaft die Anschlüsse 11 angebracht werden können.
Die Anschlüsse 9, 10 und 11 bestehen z.B. aus Blei mit etwa
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0,1 Gew.# Nickel, das während etwa 5 Minuten bei etwa 58O°C
in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre aufgeschmolzen wird,
wobei ein aus Aluminium-Fluoriddampf bestehendes Flußmittel
verwendet werden kann.
Es wird bemerkt, daß der Emitteranschluß 10 auch als Maskierung
der Emitterzone 5 dienen kann. In diesem Falle braucht man nur auf dem Teil 55 eine sich an den Anschluß 10 anschließende
Maskierung 45 (siehe Fig. 12) anzuordnen. In diesem
Fall besteht jedoch die Möglichkeit, daß beim Anschließen der Maskierung 45 an den Emitteranschluß 10, insbesondere an den
Punkten 46, unerwünschte Ätzvertiefungen auftreten, aus welchem
Grunde eine ein Ganzes bildende Maskierung J>6 (Fig. 10) zu bevorzugen
ist.
Es zeigt sich, daß der so hergestellte gesteuerte Gleichrichter nach den Fig. 1 bis 5 eine Umschlagspannung von etwa 700 Volt
hat. Im schlecht leitenden stabilen Zustand fließt nur ein Strom von einigen /uA,während im gut leitenden stabilen Zustand
Ströme bis etwa 100 A auftreten können. Wird zwischen den Anschlüssen 10 und 11 z.B. eine Spannung von 6 Volt in der Durchlaßrichtung
aufrechterhalten, so kann der gesteuerte Gleichrichter mit einem Steuerstrom über den Steueranschluß 9 von etwa
10 mA vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert werden. Beim gesteuerten Gleichrichter nach den Fig.
und 11, also vor dem örtlichen Wegätzen des Teiles 55, zeigt
sich, daß unter den gleichen Bedingungen ein Steuerstrom von etwa 50 mA erforderlich ist. Es wird bemerkt, daß die Breite
des Teiles 7 (Fig. 1 und 2) in der Nähe dieses Randteiles B, C etwa 1 mm beträgt. Durch örtliches Wegätzen des freiliegenden
Teiles der Steuerzone ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
also eine Verringerung des zum Steuern erforderlichen Steuerstromes bis etwa 50 % seines ursprünglichen Wertes erhalten.
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Die Maskierung 36 (Pig. ΙΟ) kann auch bereits auf der Scheibe
30 (Pig. 8 und 9) angeordnet werden. Man kann dann von den
sechs noch nicht getrennten Gleichrichtern den freiliegenden Teil der Steuerzone in einem Arbeitsgang örtlich wegätzen.
In den Fig. 13, 14 und 15 ist eine andere wichtige Ausführungsform eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung dargestellt,
bei dem die Emitterzone 60 und der unter dieser Zone liegende Teil 64 der Steuerzone 6l ringförmig ausgebildet
sind. Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 6l, auf dem der Steueranschluß 66 angeordnet ist, liegt im ringförmigen
Teil 64. Längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes 68 des ringförmigen Teiles 64 ist der freiliegende Teil
67 der Steuerzone 6l über einen Teil seiner Dicke entfernt, wodurch die Nut 70 gebildet ist.
Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 6l ist vorzugsweise
wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes 68 des unter der
Emitterzone liegenden Teiles 64 der Steuerzone 6l über einen Teil seiner Dicke entfernt.
Es wird bemerkt, daß die Nut 70 sich bis in die Zone 62 erstrecken
kann. Infolge der Nut 70 passiert der Steuerstrom zwischen dem Steueranschluß 36 und dem unter der Emitterzone
60 liegenden Teil 64 der Steuerzone 6l im wesentlichen nur den Teil E, F des Randes 68, wodurch im Teil 64 örtlich,
nämlich beim Teil E, P des Randes 68, eine grössere Steuerstromdichte auftritt als bei gleichbleibendem Steuerstrom,
wenn die Nut 70 nicht vorhanden ist und der Steuerstrom den ganzen Rand 68 leicht passieren kann. Die Nut 70 macht
dadurch eine Steuerung des Oleichrichters mit kleineren Steuerströmen möglich. Im vorliegenden AusfUhrungsbeispiel
wird durch die Nut 70 leicht ein fünfmal grösserer Steuerstrom
zur Steuerung möglich.
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Der Halbleiterkörper 71, der z.B. wieder aus Silizium besteht, enthält die vier aufeinanderfolgenden Zonen 60, 6l, 62 und
63 abwechselnden Leitfähigkeitstyps; die Emitterzone 60 weist,
wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel, eine Ausbauchung 73
in Richtung des Steuerkontaktes 66 auf.
Die Emitterzone ist mit einem ringförmigen Emitteranschluß 65
versehen, und auf der Zone 72 ist ein kreisförmiger Anschluß
72 angeordnet. Die Anschlüsse 65, 66 und 72 können wieder aus Blei mit 0,1 Gew.% Nickel bestehen.
Der Durchmesser der Halbleiterscheibe 71 ist z.B. etwa \6 mm,
und der Durchmesser des kreisförmigen Randes/beträgt etwa 2,5 mm.
Der gesteuerte Oleichrichter nach den Pig. 13, 14 und 15 kann
übrigens ganz auf ähnliche Weise hergestellt werden,- wie beim vorangehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Es ist einleuchtend, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß für den Pachmann im Rahmen der Erfindung viele Abänderungen möglich
sind. So kann die Emitterzone statt durch Diffusion von Dotierungssubstanz z.B. auf eine in der Halbleitertechnik übliche
Weise durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenden Materials erhalten werden. Wie bereits oben erwähnt,
bestehen die Emitterzone und die Steuerzone jedoch vorzugsweise aus diffundierten Zonen. Es wird bemerkt, daß
eine oder mehrere der aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps auch durch Aufwachsen von Halbleiterschiohten
auf einem Trägerkörper erhalten werden können, z.B. durch Ablagern von Halbleitermaterial aus der Gasphase
auf einen Träger. Für eine gute Wärmeableitung ist es vorteilhaft,
wenn der Halbleiterkörper in einer Richtung von der
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Emitterzone zu der gegenüberliegenden äusseren Zone einen im wesentlichen zunehmenden Querschnitt aufweist und die
erwähnte gegenüberliegende Zone mit dem auf dieser Zone angeordneten Anschluß (11 in Fig. 3 und 72 in Fig. 15) auf
einem wärmeleitenden Träger befestigt ist. Mit anderen Worten,
für eine gute Wärmeableitung hat der Halbleiterkörper statt eines im wesentlichen rechteckigen Querschnitts, wie z.B.
in den Fig. 3, 14 und 15 dargestellt ist, vorzugsweise einen
Querschnitt etwa in Form eines Trapezes, wobei die Emitterzone auf der kürzesten der beiden parallelen Seiten liegt.
Weiter braucht der Halbleiterkörper nicht eine Halbleiterplatte mit im wesentlichen der Form eines Sektors oder
eines Kreises zu sein, sondern kann diese Platte eine willkürliche Form haben. So kann die Platte z.B. die Form eines
Rechtecks haben, bei dem der Steuerkontakt in der Nähe eines Eckpunktes angeordnet sein kann. Wenn die Halbleiterplatte
Einkerbungen in der Nähe dieses Eckpunktes aufweist, wie in Fig. 16 dargestellt ist, so braucht der freiliegende Teil
der anzuordnenden Steuerzone nicht örtlich wenigstens über
einen Teil seiner Dicke entfernt zu werden, da die erwähnten Einkerbungen die erwünschte Wirkung bereits verursachen können.
Der Halbleiterkörper braucht nicht aus Silizium zu bestehen, wobei die zu verwendenden Dotierungssubstanzen und Materialien
der Anschlüsse auf eine in der Halbleiterteehnik übliche
Weise diesem Halbleitermaterial angepasst werden müssen.
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Claims (12)
1. Gesteuerter Gleichrichter, der einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps
enthält und bei dem eine der äusseren Zonen die Emitterzone bildet und die an diese Zone grenzende
Zone, die Steuerzone, einen unter der Emitterzone liegenden Teil und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden
Teil aufweist, auf dem ein Anschluß, der Steueranschluß, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Steuerstrom in der Steuerzone zwischen dem Steueranschluß und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der
Steuerzone den dem Steueranschluß zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone im
wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann.
2. Gesteuerter Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Emitterzone und die Steuerzone diffundierte Zonen sind.
3. Gesteuerter Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich bis in die Nähe des dem Steueranschluß zugewendeten
Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke
entfernt ist und der Steuerstrom infolgedessen den erwähnten Rand im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge
paseieren kann.
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4. Gesteuerter Oleichrichter nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet,
daß im freiliegenden Teil der Steuerzone und an der Oberfläche dieses. Teiles eine diffundierte Oberflächenschicht
vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone, aber mit einer grösseren Leitfähigkeit
als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des freiliegenden Teiles angeordnet
ist, und daß diese Oberflächenschicht örtlich bis in die Nähe des dem Steueranschluß zugewendeten Randes
des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens teilweise entfernt 1st.
5. Gesteuerter Gleichrichter nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Halbleiterplatte etwa in Form eines Kreissektors
ist, in der die vier Zonen sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen der Platte erstrecken
und bei der der Steueranschluß in der Nähe der Spitze des Sektors angeordnet ist und der dem Steueranschluß zugewendete
Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone in grösserem Abstand von der Spitze des
Sektors als der Steueranschluß liegt.
6. Gesteuerter Gleichrichter nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet,
daß der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines
sich zwischen dem Steueranschluß und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone erstreckenden Teiles
des freiliegenden Teiles entfernt ist.
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7. Gesteuerter Gleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone
ringförmig ausgebildet sind, wobei der freiliegende Teil der Steuerzone, auf dem der Steueranschluß angeordnet
ist, im erwähnten ringförmigen IMLl der Steuerzone liegt und längs und bis in die Nähe eines Teiles des Innenrandes
des ringförmigen Teiles der Steuerzone der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner
Dicke entfernt ist.
8. Gesteuerter Gleichrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes des unter der Emitterzone
liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.
9. Gesteuerter Gleichrichter nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone
eine Ausbauchung in Richtung des Steuerkontaktes aufweisen und der Steuerstrom im freiliegenden Teil der
Steuerzone im wesentlichen nur zwischen dem Steueranschluß und der Ausbauchung fließt.
10. Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Gleichrichters nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß von einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps
ausgegangen wird, bei dem die an eine der äusseren Zonen, die Emitterzone, grenzende Zone, die Steuerzone,
einen unter der Emitterzone liegenden Teil und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil aufweist, und daß
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auf einem Teil des freiliegenden Teiles eine Maskierung angebracht wird, die sich an eine auf der Emitterzone
vorgesehene Maskierung anschließt, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles, welcher nicht
maskierte Teil sich bis in die Nähe des Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone
erstreckt, wenigstens über einen Teil seiner Dicke, z.B. durch Ätzen, entfernt wird, wodurch ein Steuerstrom in
diesem freiliegenden Teil zwischen einem auf dem maskierten Teil angeordneten Steueranschluß und dem unter
der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den dem Steueranschluß zugewendeten Rand des unter der Emitterzone
liegenden Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren kann.
11. Verfahren nach Anspruch 10 zur Herstellung eines gesteuerten Gleichrichters nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,
daß mit Ausnahme der Stelle, an der die auf der Emitterzone angeordnete Maskierung sich an die auf einem
Teil des freiliegenden Teiles der Steuerzone angeordnete Maskierung anschließt, auch ein Randteil der Emitterzone
entfernt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, zur Herstellung eines gesteuerten Gleichrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß, ehe die Maskierung auf einem Teil des freiliegenden Teiles der Steuerzone angeordnet wird,
in die Oberfläche dieses freiliegenden Teiles Dotierungssubstanz vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen
der Steuerzone hineindiffundiert wird, wodurch eine diffundierte Oberflächenschicht vom gleiohen Leitfähigkeitstyp
wie demjenigen der Steuerzone und mit einer grösseren Leitfähigkeit
als derjenigen dee unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des erwähnten freiliegenden Teiles
erhalten wird.
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13· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 - 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierung auf dem freiliegenden
Teil der Steuerzone und die Maskierung auf der Emitterzone als ein Ganzes in einem Arbeitsgang angeordnet
werden.
Ik. Verfahren nach Anspruch Ij5, dadurch gekennzeichnet, daß,
ehe die Maskierung angeordnet wird, die Emitterzone mit einem Emitteranschluß versehen und zugleich der Steueranschluß
angebracht wird, wonach die Maskierung auf diesen Anschlüssen und einem sie umgebenden Oberflächenteil
des Halbleiterkörpers angeordnet wird.
15· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 - 14
zur Herstellung eines gesteuerten Oleichrichters nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im
wesentlichen sektorförmige Halbleiterkörper dadurch erhalten wird, daß eine im wesentlichen runde Halbleiterscheibe
mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps in Sektoren unterteilt wird.
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Applications Claiming Priority (3)
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| NL296392 | 1963-08-07 | ||
| NL296392 | 1963-08-07 | ||
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| DE1489168C3 DE1489168C3 (de) | 1976-09-02 |
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| GB1081224A (en) | 1967-08-31 |
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| AT255570B (de) | 1967-07-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |