DE1489168B2 - Steuerbarer halbleitergleichrichter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Steuerbarer halbleitergleichrichter und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit
vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, bei dem eine der äußeren Zonen die
Emitterzone bildet und die an die Emitterzone grenzende Steuerzone einen von der Emitterzone
bedeckten Teil und seitlich davon einen von der Emitterzone nicht bedeckten, die Steuerelektrode
tragenden Teil aufweist sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen steuerbaren Gleichrichters.
Steuerbare Halbleitergleichrichter weisen in der Durchlaßrichtung zwei stabile Zustände auf. Bei
zunehmender Spannung zwischen den äußeren Zonen in der Durchlaßrichtung befindet der Gleichrichter sich
zuerst in einem schlecht leitenden stabilen Zustand, bei dem ein kleiner, im wesentlichen konstanter Strom den
Gleichrichter durchfließt. Erreicht diese Spannung eine bestimmte Größe, die Kippspannung, so kommt der
steuerbare 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.
Steuerbare Gleichrichter können vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand mitteis eines
Steuerstromes über die Steuerelektrode gesteuert (gezündet) werden. Auf diese Weise kann man mittels
eines kleinen Stromes, des Steuerstromes, einen viel größeren Strom durch den Gleichrichter schalten. Der
steuerbare Gleichrichter kann so z. B. als elektrischer Schalter wirken.
Steuerbare Halbleitergleichrichter der beschriebenen Art sind z. B. aus der FR-PS 13 22 767 bekannt
In der Praxis ist es in vielen Fällen erwünscht, daß der Steuerstrom, bei dem der steuerbare Gleichrichter vom
schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert wird, der Zündstrom, klein ist, während die
Kippspannung hoch ist. Dies sind entgegengesetzte Anforderungen, da im allgemeinen bei steuerbaren
Gleichrichtern mit einer höheren Kippspannung ein größerer Zündstrom erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern auf einfache Weise
kleinere Zündströme möglich zu machen und im besonderen Gleichrichter zu schaffen, bei denen eine
hohe Kippspannung kombiniert mit einem kleinen Zündstrom möglich ist
Der Erfindung liegt u. a die Erkenntnis zugrunde, daß
die Steuerung vom schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand beim Erreichen einer bestimmten
Steuerstromdichte im unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone stattfindet und daß es ausreichend
ist, wenn diese bestimmte Steuerstromdichte in einem begrenzten Teil des unter der Emitterzone liegenden
Teiles der Steuerzone erreicht wird.
Gemäß der Erfindung ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter der eingangs erwähnten Art dadurch
gekennzeichnet daß der Steuerstrom in der Steuerzone zwischen der Steuerelektrode und dem von der
Emitterzone bedeckten Teil der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewandten Rand des von der
Emitterzone bedeckten Teiles der Steuerzone dadurch im wesentlichen nur örtlich passieren kann, daß sich die
an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzende Schicht des nicht bedeckten Teiles der Steuerzone nur
örtlich an den Rand des von der Emitterzone bedeckten Teiles der Steuerzone anschließt.
Unter dem der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der
Steuerzone ist hier der Teil des Randes 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 der Steuerelektrode verbunden werden kann.
Die mit der Erfindung erstellten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Steuerstrom im wesentlichen
nur einen kleinen Teil des erwähnten der Steuerelektrode zugewendeten Randes passieren kann
bei einem bestimmten Steuerstrom örtlich im unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone, nämlich
beim erwähnten Teil des der Steuerelektrode zugewendeten Randes, eine größere Stromdichte auftritt als
wenn der Steuerstrom den der Steuerelektrode 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 steuerbare Halbleitergleichrichter, bei denen die
Emitterzone und die Steuerzone durch Diffusion von Dotierungssubstanzen erhalten sind.
Ist die Emitterzone z. B. durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenden Materials erhalten,
so ist 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 steuerbaren Halbleitergleichrichter 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
Gleichrichter eine etwas geringere Wirkung als bei einem Gleichrichter mit einer durch Diffusion von
Dotierungssubstanz erhaltenen Emitterzone hat.
Bei einer wichtigen Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung ist der
freiliegende Teil der Steuerzone örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode 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 der Steuerelektrode zugewendeten Randes des unter der Emitterzone
liegenden Teiles der Steuerzone an diesen letzteren Teil der Steuerzone anschließt.
Eine weitere wichtige Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß im freiliegenden Teil der Steuerzone und an der Oberfläche dieses 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 der Steuerelektrode
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 Oberflächenschicht 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, ist
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 die Steuerelektrode in
der Nähe der Spitze des Sektors angeordnet ist und der der Steuerelektrode zugewendete Rand des unter der
Ermitterzone liegenden Teiles der Steuerzone in einem größeren Abstand von der Spitze des Sektors als die
Steuerelektrode liegt. Vorzugsweise ist hierbei der freiliegende Teil der Steuerzone wenigstens über einen
Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich zwischen der Steuerelektrode und dem unter der Emitterzone
liegenden Teil der Steuerzone erstreckenden Teiles des erwähnten freiliegenden Teiles entfernt.
Eine andere wichtige Ausführungsform eines steuerbaren Halbleiters 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 die Steuerelektrode 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 Ausführungsform 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 Gleichrichters nach der Erfindung ist
diejenige, bei der die Emitterzone und der unter dieser Zone liegende Teil der Steuerzone eine Ausbauchung in
Richtung der Steuerelektrode aufweisen und der Steuerstrom im freiliegenden Teil der Steuerzone im
wesentlichen nur zwischen der Steuerelektrode und der Ausbauchung fließen kann.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters
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
einer auf dem maskierten Teil angeordneten Steuerelektrode und dem unter der Emitterzone liegenden Teil
der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der Emitterzone liegenden 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 Maskierung 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 eine auf dieser Zone angeordnete Emitterelektrode dienen,
und auf dem freiliegenden Teil der Steuerzone kann eine gesonderte, sich an die Emitterelektrode 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 einer Emitterelektrode
versehen und zugleich die Steuerelektrode angebracht, wonach die Maskierung auf diesen Elektroden 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.
F i g. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters,
von dem
Fi g. 2 schematisch in Draufsicht und
F i g. 3 schematisch einen Querschnitt längs der Linie IH-111 in F i g. 2 zeigt, während
Fig.4 einen Teil des Querschnitts nach Fig.3 in
vergrößertem Maßstab darstellt;
die Fig.5, 6, 7, 8 und 11 zeigen schematisch Querschnitte eines Halbleiterkörpers in verschiedenen
Stufen während der Herstellung* eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach den vorangehenden Figuren,
wobei die
Fig.9 und 10 schematisch eine Draufsicht auf den
Halbleiterlörper nach F i g. 8 bzw. 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 F i g. 11 bei einem etwas abgeänderten Hersteilungsverfahren;
Fig. 13 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine
andere Ausführungsform eines steuerbaren Halbleitergleichrichters, von dem die
Fig. 14 und 15 schematisch Querschnitte längs der Linie XIV-XIV bzw. XV-XV in F i g. 13 darstellen;
F i g. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine Halbleiterplatte, die für eine weitere Ausbildungsform eines
steuerbaren Halbleitergleichrichters geeignet ist.
Die zu beschreibenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf steuerbare Halbleitergleichrichter, 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 die Steuerelektrode angeordnet ist, und wobei nach der Erfindung der Steuerstrom zwischen der Steuerelektrode
und dem unter der Emitterzone liegenden Teil der Steuerzone den der Steuerelektrode zugewendeten
Rand des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone im wesentlichen nur über einen Teil seiner
Länge passieren kann; bei den zu beschreibenden Ausführungsbeispielen wird diese letztere Wirkung
dadurch herbeigeführt, daß der freiliegende Teil der Steuerzone örtlich und bis in die Nähe des der
Steuerelektrode angewendeten Randes des unter der Emitterzone liegenden Teiles der Steuerzone wenigstens
über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.
Beim ersten Ausführungsbeispiel (siehe die F i g. 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 Seitenflächen der Platte 1 erstrecken, die Steuerelektrode 9 in der Nähe der Spitze P des Sektors
angeordnet ist und der der Steuerelektrode 9 zugewendete Rand A, B, C, D des unter der Emitterzone 5
liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 in größerem Abstand von der Spitze PaIs die Steuerelektrode 9 liegt.
Der freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich
zwischen der Steuerelektrode 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, Cdes 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, Cgrößer ist als wenn der Steuerstrom den
ganzen der Steuerelektrode 9 zugewendeten Rand A, B, C, D leicht passieren kann. Wie bereits erwähnt, hat dies
zur Folge, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter mittels kleinerer Steuerströme vom schlecht leitenden
in den gut leitenden Zustand gesteuert werden kann, was für steuerbare Halbleitergleichrichter mit hohen
Kippspannungen von besonderer Bedeutung ist.
Bei bekannten Typen von steuerbaren Halbleitergleichrichtern nimmt nämlich im allgemeinen der
Zündstrom (der Steuerstrom, bei dem Steuerung in einen anderen stabilen Zustand stattfindet) bei zunehmender
Kippspannung zu, wodurch es gerade bei Typen mit einer hohen Kippspannung von Bedeutung ist, den
Zündstrom herabzusetzen und dadurch die Anwendungsmöglichkeiten zu vergrößern oder sogar die
Anwendung möglich zu machen.
Es wird bemerkt, daß die Emitterzone mit einer Emitterelektrode 10 versehen ist, die ebenso wie die
Steuerelektrode 9 in Fig. 1 deutlichkeitshalber mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist und daß die
untere Zone 2 mit einer Elektrode 11 versehen ist.
Der. freiliegende Teil 7, 8 der Steuerzone 4 ist vorzugsweise mit einer Oberflächenschicht 16 (siehe
F i g. 4, in der ein Teil des Querschnittes nach F i g. 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
16 örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode 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 Teil des dünnen Teiles 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
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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 der Steuerelektrode 9. Hierdurch enthält der
unter der Emitterzone 5 liegende Teil 6 der Steuerzone
4 ebenfalls eine solche Ausbauchung. Der Steuerstrom fließt im wesentlichen zwischen der Steuerelektrode 9
und der Ausbauchung des unter der Emitterzone 5 liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4, was auf die
Eigenschaften des steuerbaren Gleichrichters einen günstigen Einfluß hat.
Im folgenden wird ein Ausfuhrungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung zur Herstellung des
beschriebenen steuerbaren Halbleitergleichrichters beschrieben, bei dem auch Angaben über Abmessungen,
Materialien u. dgl. des Gleichrichters gegeben werden.
30 (Fig.5) mit einem Durchmesser von etwa 18 mm,
einer Dicke von etwa 200 μπι 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 eingebettet und etwa 6 Stunden in einer Wässerstoffatmosphäre auf einer Temperatur von etwa
1215°C gehalten. Hierdurch wird eine p-leitende Zone
31 (Fig.6) mit einer Dicke von etwa 36 μπι und einer
Oberflächenkonzentration von etwa 1018 Aluminiumatomen/cm3 erhalten, während die innere Zone 33 die
ursprüngliche η-Leitfähigkeit der Platte 30 beibehält
In die p-Ieitende Zone 31 wird eine n-Ieitende Zone 32
(F i g. 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 P2O5 auf etwa 2500C gehalten. Hierdurch wird
die η-leitende Zone 32 mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 1020 Phosphoratomen/cm3 und einer
Dicke von etwa 14 μπι erhalten.
Auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise, z. B. mittels Maskierens und Ätzens, werden die
Zonen 31 und 32 am Rande der Scheibe 30 weggeätzt und die Zone 32 außerdem auf der Unterseite der
Scheibe 30 entfernt Weiter wird ein kreisförmiger Teil mit einem Durchmesser von etwa 7 mm von der Zone
32 auf der Oberseite der Scheibe 30 entfernt, wodurch
ein kreisförmiger Oberflächenteil 40 der Zone 32 frei wird. Es entsteht so die Konfiguration nach den F i g. 8
und 9 (wobei die Zone 31 in die Zonen 37 und 38 aufgeteilt worden ist). Die Scheibe 30 hat z.B. noch
einen Durchmesser von etwa 17 mm.
Die Scheibe 30 kann jetzt z. B. längs der Linien 34 in
sechs Sektoren unterteilt werden, wodurch sektorförmige Halbleiterkörper 40 (siehe die Fig. 10 und 11) mit
vier aufeinanderfolgenden Zonen 2, 3, 4 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 35. Die Unterteilung in Sektoren kann z. B. durch
Sägenerfolgen.
Darauf wird ein Teil des freiliegenden Teiles 35 mit einer sich an eine auf der Emitterzone 5 angeordnete
Maskierung anschließenden Maskierung versehen, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden Teiles
35, 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 einer auf dem maskierten Teil
angeordneten Steuerelektrode und dem Teil 6 den der Steuerelektrode zugewendeten Rand des unter der
Emitterzone liegenden Teiles 6 der Steuerzone 4 im wesentlichen nur über einen Teil seiner Länge passieren
kann.
Vorzugsweise wird die Maskierung auf der Emitterzone 5 und dem freiliegenden Teil 35 als ein Gebilde 36
(in F i g. 10 schraffiert dargestellt) angeordnet, wie noch nachstehend erläutert wird.
Ehe die Maskierung 36 angeordnet wird, wird die Emitterelektrode 10 und auch die Steuerelektrode 9
angebracht und dann die Maskierung 36 auf diesen
Elektroden 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, das
z. B. mit Toluol wieder entfernt werden kann.
Die Emitterelektrode 10 und auch die Steuerelektrode 9 können bereits auf der Scheibe 30 (F i g. 8 und 9)
angeordnet werden, ebenso wie die Elektrode 11 auf der
unteren Zone 38 in F i g. 8 (die Zone 2 in F i g. 11).
Der nicht 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 F i g. 1 bis 3 erhalten wird. Die in bezug auf F i g. 4 beschriebene Oberflächenschicht 16
ist jedoch nicht vorhanden.
Eine solche Oberflächenschicht wird vorzugsweise jedoch angebracht; sie kann auf einfache Weise dadurch
erhalten werden, daß vor dem Anbringen der Maskierung 36 (Fig. 10) eine denselben Leitungstyp
wie denjenigen der Steuerzone 4 hervorrufende Dotierungssubstanz in die Oberfläche des freiliegenden
Teiles 35 der Steuerzone 4 hineindiffundiert wird.
Vorteilhaft findet diese Diffusion bereits in die freiliegende Oberfläche 40 (F i g. 8 und 9) der Zone 37
statt, ehe die Elektroden 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 30 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 Silizium-
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
6S herausdiffundiert Es hat sich gezeigt, daß während
dieser Diffusionsbehandlung eine gesonderte Maskierung der Zone 32 überflüssig ist
eine niederohmige Oberflächenschicht 30 erhalten, auf der vorteilhaft die Elektroden 11 angebracht werden
können.
Die Elektroden 9,10 und 11 bestehen z. B. aus Blei mit
etwa 0,1 Gewichtsprozent Nickel, das während etwa 3 Minuten bei etwa 380° C in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre
aufgeschmolzen wird, wobei ein aus Aluminium- Fluoriddampf bestehendes Flußmittel verwendet
werden kann.
Es wird bemerkt, daß die Emitterelektrode 10 auch als Maskierung der Emitterzone 5 dienen kann. In diesem
Falle braucht man nur auf dem Teil 35 eine sich an die Emitterelektrode 10 anschließende Maskierung 45
(siehe Fig. 12) anzuordnen. In diesem Fall besteht jedoch die Möglichkeit, daß beim Anschließen der 1S
Maskierung 45 an die Emitterelektrode 10, insbesondere an den Punkten 46, unerwünschte Ätzvertiefungen
auftreten, aus welchem Grunde eine ein Ganzes bildende Maskierung 36 (F i g. 10) zu bevorzugen ist.
Es zeigt sich, daß der so hergestellte steuerbare Halbleitergleichrichter nach den F i g. 1 bis 3 eine
Kippspannung von etwa 700 Volt hat Im schlecht leitenden stabilen Zustand fließt nur ein Strom von
einigen μΑ, während im gut leitenden stabilen Zustand Ströme bis etwa 100 A auftreten können. Wird zwischen
den Elektroden 10 und 11 z. B. eine Spannung von 6 Volt
in der Durchlaßrichtung aufrechterhalten, so kann der steuerbare Halbleitergleichrichter mit einem Steuerstrom
über die Steuerelektrode 9 von etwa 10 mA vom
schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gesteuert werden. Beim steuerbaren Halbleitergleichrichter
nach den F i g. 10 und 11, also vor dem örtlichen Wegätzen des Teiles 35, zeigt sich, daß unter den
gleichen Bedingungen ein Steuerstrom von etwa 30 mA erforderlich ist. Es wird bemerkt, daß die Breite des
Teiles 7 (F i g. 1 und 2) in der Nähe dieses Randteiles B,
C etwa 1 mm beträgt. Durch örtliches Wegätzen des freiliegenden Teiles der Steuerzone wird im vorliegenden
Ausführungsbeispiel also eine Verringerung des zum Steuern erforderlichen Steuerstromes bis etwa
30% seines ursprüngliches Wertes erreicht
Die Maskierung 36 (Fig. 10) kann auch bereits auf
der Scheibe 30 ( F i g. 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 steuerbaren Halbleitergleichrichters
nach der Erfindung dargestellt, bei dem die Emitterzone 60 und der unter dieser Zone liegende Teil
64 der Steuerzone 61 ringförmig ausgebildet sind. Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 61, auf dem die
Steuerelektrode 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 61 über einen Teil
seiner Dicke entfernt, wodurch die Nut 70 gebildet ist.
Der freiliegende Teil 67 der Steuerzone 61 ist vorzugsweise wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes
68 des unter der Emitterzone liegenden Teiles 64 der Steuerzone 61 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 der Steuerelektrode 36 und dem unter der Emitterzone 60 liegenden Teil 64 der 6S
Steuerzone 61 im wesentlichen nur den Teil E, F des Randes 68, wodurch im Teil 64 örtlich, nämlich beim Teil
E, F 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 Gleichrichters mit kleineren Steuerströmen möglich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht dank der Nut 70 ein fünfmal kleinerer
Steuerstrom zur Steuerung aus.
Der Halbleiterkörper 71, der z. B. wieder aus Silizium besteht, enthält die vier aufeinanderfolgenden Zonen 60,
61, 62 und 63 abwechselnden Leitfähigkeitstyps; die Emitterzone 60 weist, wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel,
eine Ausbauchung 73 in Richtung der Steuerelektrode 66 auf.
Die Emitterzone 60 ist mit einer ringförmigen Emitterelektrode 65 versehen, und auf der Zone 63 ist
eine kreisförmige Elektrode 72 angeordnet. Die Elektroden 65, 66 und 72 können wieder aus Blei mit
0,1 Gewichtsprozent Nickel bestehen.
Der Durchmesser der Halbleiterscheibe 71 ist z. B. etwa 16 mm, und der Durchmesser des kreisförmigen
Randes 68 beträgt etwa 2,5 mm.
Der steuerbare Halbleitergleichrichter nach den Fig. 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 Fachmann viele Abänderungen möglich
sind. So kann die Emitterzone statt durch Diffusion von Dotierungssubstanz auch auf eine in der Halbleitertechnik
übliche Weise durch Aufschmelzen eines eine Dotierungssubstanz enthaltenen 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 Halbleiterschichten auf einem Trägerkörper erhalten
werden können, z. B. durch Ablagern von Halbleitermaterial aus der Gasphase auf einem Träger. Für eine gute
Wärmeableitung ist es vorteilhaft, wenn der Halbleiterkörper in einer Richtung von der Emitterzone zu der
gegenüberliegenden äußeren Zone einen im wesentlichen zunehmenden Querschnitt aufweist und die
erwähnte gegenüberliegende Zone mit der auf dieser Zone angeordneten Elektrode (11 in Fig.3 und 72 in
F i g. 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 diese Platte kann eine
willkürliche Form haben. So kann die Platte z. B. die Form eines Rechtecks haben, bei dem die Steuerelektrode
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.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden
Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, bei dem eine der äußeren Zonen die Emitterzone bildet und
die an die Emitterzone grenzende Steuerzone einen von der Emitterzone bedeckten Teil und seitlich
davon einen von der Emitterzone nicht bedeckten, die Steuerelektrode tragenden Teil aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steuerstrom in der Steuerzone (4) zwischen der Steuerelektrode
(9) und dem von der Emitterzone (5) bedeckten Teil (6) der Steuerzone (4) den der
Steuerelektrode (9) zugewandten Rand (A-D) des von der Emitterzone (5) bedeckten Teiles (6) der
Steuerzone (4) dadurch im wesentlichen nur örtlich passieren kann, daß sich die an die Oberfläche des
Halbleiterkörpers grenzende Schicht (7) des nicht bedeckten Teiles (7,8) der Steuerzone (4) nur örtlich
(B-C)an den Rand (A-D) des von der Emitterzone (5) bedeckten Teiles (6) der Steuerzone (4) anschließt.
2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (5) und die Steuerzone (4) diffundierte Zonen
sind.
3. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
freiliegende Teil (7,8) der Steuerzone (4) örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode zugewendeten
Randes (A-D) des unter der Emitterzone (5) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) wenigstens
über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.
4. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im freiliegenden
Teil (7) der Steuerzone (4) und an der Oberfläche dieses Teiles eine diffundierte Oberflächenschicht
(16) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone, aber mit einer größeren Leitfähigkeit
als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles (17) des freiliegenden Teiles
angeordnet ist und daß diese Oberflächenschicht (16) örtlich bis in die Nähe des der Steuerelektrode (9)
zugewendeten Randes (A-D) der unter der Emitterzone (15) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4)
wenigstens teilweise entfernt ist.
5. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Halbleiterplatte in Form eines Kreissektors ist, in
der die vier Zonen (2, 3, 4, 5) sich im wesentlichen parallel zu den beiden Seitenflächen der Halbleiterplatte erstrecken und bei der die Steuerelektrode (9)
in der Nähe der Spitze (P)des Sektors angeordnet ist und der der Steuerelektrode (9) zugewendete Rand
(A-D)des unter der Emitterzone (5) liegenden Teiles (6) der Steuerzone (4) in größerem Abstand von der
Spitze (P) des Sektors als die Steuerelektrode (9) Hegt.
6. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende
Teil (7,8) der Steuerzone (4) wenigstens über einen Teil seiner Dicke auf beiden Seiten eines sich
zwischen der Steuerelektrode (9) und dem unter der Emitterzone (5) liegenden Teil der Steuerzone
erstreckenden Teiles des freiliegenden Teiles (7, 8) entfernt ist
7. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach einem
oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (60) und der
unter dieser Zone liegende Teil (64) der Steuerzone (61) ringförmig ausgebildet sind, wobei der freiliegende
Teil (67) der Steuerzone (61), auf dem die Steuerelektrode (66) angeordnet ist, von dem
ringförmigen Teil (64) der Steuerzone umgeben ist, und längs und bis in die Nähe eines Teiles des
Innenrandes (68) des ringförmigen Teiles (64) der Steuerzone der freiliegende Teil (67) der Steuerzone
(61) wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt ist.
8. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende
Teil (67) der Steuerzone (61) wenigstens längs der Hälfte des Innenrandes (68) des unter der
Emitterzone liegenden Teiles (64) der Steuerzone (61) wenigstens über einen Teil seiner Dicke entfernt
ist.
9. Steuerbarer· Halbleitergleichrichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Emitterzone (5) und der unter dieser Zone liegende Teil (6) der Steuerzone
eine Ausbauchung (20) in Richtung der Steuerelektrode (9) aufweisen und der Steuerstrom im
freiliegenden Teil der Steuerzone im wesentlichen nur zwischen der Steuerelektrode (9) und der
Ausbauchung (20) fließt.
10. Verfahren zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden
Zonen (2, 3, 4, 5) abwechselnden Leitfähigkeitstyps ausgegangen wird, bei dem die an eine der
äußeren Zonen, die Emitterzone (5), grenzende Zone (4), die Steuerzone, einen unter der Emitterzone
liegenden Teil (6) und einen auf der Seite der Emitterzone freiliegenden Teil (35) aufweist, und daß
auf einem Teil des freiliegenden Teiles (35) eine Maskierung angebracht wird, die sich an eine auf der
Emitterzone (5) vorgesehene Maskierung anschließt, worauf der nicht maskierte Teil des freiliegenden
Teiles (35), 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.
11. Verfahren nach Anspruch 10 zur Herstellung
eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit
Ausnahme der Stelle, an der die auf der Emitterzone (5) angeordnete Maskierung sich an die auf einem
Teil des freiliegenden Teiles (35) der Steuerzone angeordnete Maskierung anschließt, auch ein Randteil
der Emitterzone (5) entfernt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 zur
Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß,
ehe die Maskierung (36) auf einem Teil des freiliegenden Teiles (35) der Steuerzone angeordnet
wird, in die Oberfläche dieses freiliegenden Teiles (35) eine denselben Leitungstyp wie denjenigen der
Steuerzone (4) hervorrufende Dotierungssubstanz hineindiffundiert wird, wodurch eine diffundierte
Oberflächenschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie demjenigen der Steuerzone (4) und mit einer
größeren Leitfähigkeit als derjenigen des unter dieser Oberflächenschicht liegenden Teiles des
erwähnten freiliegenden Teiles (35) erhalten wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Maskierung auf dem freiliegenden Teil (35) der Steuerzone (4) und die Maskierung auf der
Emitterzone als ein Ganzes (36) in einem Arbeitsgang angeordnet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß, ehe die Maskierung angeordnet
wird, die Emitterzone (5) mit einer Emitterelektrode (10) versehen und zugleich die Steuerelektrode
(9) angebracht wird, wonach die Maskierung auf diesen Elektroden und einem sie umgebenden
Oberflächenteil des Halbleiterkörpers angeordnet wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14 zur Herstellung eines
steuerbaren Halbleitergleichrichters nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im
wesentlichen sektorförmige Halbleiterkörper (40) dadurch erhalten wird, daß eine im wesentlichen
runde Halbleiterscheibe (30) mit vier aufeinanderfolgenden Zonen (2, 3, 4, 5) abwechselnden Leitfähigkeitstyps
in Sektoren unterteilt wird.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL296392 | 1963-08-07 | ||
| NL296392 | 1963-08-07 | ||
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Publications (3)
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| DE1489168B2 true DE1489168B2 (de) | 1976-01-15 |
| DE1489168C3 DE1489168C3 (de) | 1976-09-02 |
Family
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Also Published As
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|---|---|
| BE651505A (de) | 1965-02-08 |
| DE1489168A1 (de) | 1969-06-19 |
| GB1081224A (en) | 1967-08-31 |
| CH444968A (de) | 1967-10-15 |
| NL296392A (de) | |
| AT255570B (de) | 1967-07-10 |
| US3344323A (en) | 1967-09-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |