DE1539630C - Steuerbare Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement, das eine Halbleiterscheibe mit einer pnpn-Zonenfolge aufweist, bei der die beiden äußeren Zonen sich jeweils nur über einen Teil der Gesamtfläche der. an ihnen angebrachten Kontaktelektroden erstrecken, während jede dieser Kontaktelektroden über den anderen Teil ihrer Gesamtfläche mit der jeweils nächstliegenden inneren Zone der pnpn-Zonenfolge- kontaktiert ist, wodurch die äußeren pn-Übergänge dieser pnpn-' Zonenfolge kurzgeschlossen sind.

Eine solche Halbleiteranordnung ist z. B. aus der USA.-Patentschrift 2971139 (Fig. 1) bekannt.Durch die Kurzschlüsse der äußeren pn-Übergänge ist die Sperrwirkung in der einen Richtung aufgehoben, während bei Anlegen einer Spannung in der anderen Richtung zwei stabile Leitungszustände, nämlich ein hochohmiger und ein niederohmiger, bestehen. Der Übergang vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand erfolgt durch Erhöhung der Spannung über einen bestimmten Wert. Der niederohmige Zustand bleibt dann ähnlich wie bei einem Thyristor auch nach Absenken der Spannung unter diesen Wert weiter erhalten.

Eine pnpn-Zonenfolge bildet bekanntlich auch die Grundlage für die Thyristoren. Zwei gegeneinandergeschaltete pn-Übergänge wirken dabei in je einer Spannungsrichtung sperrend. Ein Steuerstrom über den dritten pn-übergang läßt die Sperrung in einer Spannungsrichtung zusammenbrechen. Thyristoren weisen meist eine Halbleiterscheibe mit vier schichtenförmigen Zonen von abwechselndem Leitungstyp auf. Die bekannte Herstellung der Halbleiterscheibe beginnt z. B. mit der Herstellung einer pnpn-Zonenfolge durch Eindiffundieren von Akzeptorsubstanz in eine Halbleiterscheibe von n-Leitungstyp. Die eindiffuhdierten Zonen weisen dabei eine wesentlich höhere Dotierungsdichte auf. Darauf wird die vierte Zone z. B. durch Eindiffundieren oder Anlegieren hinzugefügt. Zur Verlängerung des Kriechweges an der Randzone wird die Halbleiterscheibe in bekannter Weise durch entsprechende Bearbeitung in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet. Im hochohmigen Zustand in Schaltrichtung wird der Potentialverlauf in der Halbleiterscheibe durch das Dotierungsprofil bestimmt. Daher verformen sich die Potentiallinien am Rand der niedrig dotierten inneren Zone derart, daß sie sich gegen die Verjüngung des Kegelstumpfes zusammendrängen und dort den Kriechweg herabsetzen. Die Abschrägung des Kegelstumpfmantels ist also nur für einen Übergang optimal. Bei den bekannten Thyristoren sind überdies die Höhe der Durchbruchspannung in Sperrichtung und die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie in Durchlaßrichtung beide nicht voneinander unabhängig für einen bestimmten Zweck optimierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Halbleiteranordnung zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile der bekannten Thyristoren nicht aufweist und bei der unter Benutzung des bekannten Prinzips des Kurzschließer der äußeren pn-Übergänge einer pnpn-Zonenfolge eine weitgehende Freiheit in der Realisierung optimaler Charakteristiken besteht.

Die steuerbare Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die höher dotierte der beiden inneren Zonen der pnpn-Zonenfolge mit einer Steuerelektrode versehen und der Basis der kegelstumpfförmig ausgebildeten Randflache der Halbleiterscheibe zugewandt ist und daß das Halbleiterbauelement mit irgendeinem zweiten Halbleiterbauelement mit ebenen und parallelen Kontaktelektroden unter entsprechender Polung derr art zu einer Säule verbunden ist, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie jedes der beiden Halbleiterbauelemente die Strom-Spannungs-Kennlinie der Säule in einer Spannungsrichtung bestimmt.

ίο Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 8 beispielsweise erläutert. Die Dicken der einzelnen Zonen der Halbleiterscheibe sind dabei zur besseren Übersichtlichkeit übertrieben stark dargestellt.

F i g. 1 zeigt das Prinzip des Aufbaus eines bekannten Thyristors. Die pnpn-Zonenfolge der Zonen 1 bis 3, welche man z. B. durch Diffusion von Akzeptorsubstanz in eine Halbleiterscheibe vom n-Leitungstyp hergestellt hat, wirddurch Anlegieren einer Zone 4 vom n-Leitungstyp zur pnpn-Zonenfolge ergänzt; an den Stirnflächen der Halbleiterscheibe werden die Anode 5 und die Kathode 6 angebracht. Die Steuerelektrode 7 ist an die innere Zone 3 vom p-Leitungstyp angeschlossen.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Halbleiterbauelementes, wie es in der Halbleiteranordnung nach der Erfindung zur Verwendung gelangt. Der pn-übergang zwischen den Zonen 1 und 2 erstreckt sich auch hier über die ganze Fläche der Halbleiterscheibe. Dieser pn-übergang wirkt sperrend in Vorwärtsrichtung. Die äußeren Zonen 3 und 4 schließen ebenfalls an die Kontaktelektroden 5 bzw. 6 an, bedecken sie aber nur teilweise. Dadurch bleibt die Minoritätsladungsträgerinjektion in Vorwärtsrichtung für die ρη-Übergänge zwischen den Zonen 3 und 1, bzw. 2 und 4, im wesentlichen erhalten, ihre Sperrwirkung ist jedoch dadurch aufgehoben, daß zwischen jeder Kontaktelektrode S bzw. 6 und der zu ihr im Strompfad zunächstliegenden inneren Zone 1 bzw. 2 ein Kurzschluß besteht. Die innere Zone 2 vom p-Leitungstyp weist eine höhere Dotierungsdichte auf als die Zone 1 vom n-Leitungstyp. Die Randfläche 8 der Halbleiterscheibe ist derart als Kugelstumpfmantel ausgebildet, daß die höher dotierte Zone 2 der Basis zugewandt ist. Dadurch wird erreicht, daß der Kriechweg auf der Randfläche an der Stelle des pn-Überganges zwischen den Zonen 1 und 2 im Sperrschichtbereich erhöht wird. Die Steigung der Kegelstumpfmantelfläche ist dabei etwa 10 bis 12°, so daß die freie Oberfläche der Zone 2 genügend groß wird, um an ihr eine Steuerelektrode 7 anzubringen.

Zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes gemäß F i g. 2 können verschiedene an sich bekannte Verfahren verwendet werden.

Ein bevorzugtes Verfahren beginnt damit, daß z. B. auf eine monokristalline Siliziumscheibe vom n-Leitungstyp durch Diffusion von Akzeptorsubstanz aus der Gasphase eine höher dotierte p-Zone gebildet wird, welche danach von einer Stirnfläche der HaIbleiterscheibe wieder abgetragen wird.

Die weiteren Verfahrensschritte zur Bildung der äußeren Zonen und ihren Kontaktelektroden werden an Hand von F i g. 3 erläutert.
Die freie Stirnfläche jeder inneren Zone 1 bzw. 2 wird mit einer Metallscheibe 9 bzw. 10 bedeckt, die eine passende Dotierungssubstanz enthält und die über ihre Fläche verteilte Lochungen 11 aufweist. Durch anschließendes Anlegieren der Metallscheibe 9

bzw. 10 bildet sich unter ihr in bekannter Weise die äußere Zone 3 bzw. 4, während an Stelle der Lochungen 11 die innere Zone 1 bzw. 2 weiter frei an der Oberfläche liegt. Vor dem Anlöten der Kontaktelektroden wird eine Metallschicht 12 bzw. 13 aufgedampft, die den Kurzschluß zwischen den inneren Zonen 1, 2 und den Kontaktelektroden 5, 6 hergestellt. Schließlich wird die Kegelstumpfform hergestellt und die Steuerkontaktelektrode 7 angeschweißt.

Fig. 4 gibt den wesentlichen Unterschied der Strom-Spannungs-Kennlinie A eines Thyristors und der Strom-Spannungs-Kennlinie B des Halbleiterbauelementes für die steuerbare Halbleiteranordnung nach der Erfindung wieder. Man sieht, daß A und B in Vorwärtsrichtung übereinstimmen, während B in Rückwärtsrichtung einen Kurzschluß darstellt.

Diese Eigenschaft des Halbleiterbauelementes nach F i g. 1 wird vorteilhaft benutzt, um es mit einem anderen unter entsprechender Polung in einer steuerbaren Halbleiteranordnung derart zu einer Säule zu verbinden, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie jedes Halbleiterbauelementes die Strom-Spannungs-Kennlinie der steuerbaren Halbleiteranordnung in einer Spannungsrichtung bestimmt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Halbleiteranordnung ist daher für jede Spannungsrichtung für sich in weiten Grenzen frei wählbar.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine steuerbare Halbleiteranordnung mit zwei Halbleiterelementen 14 und 15 nach der F i g. 2 bzw. die zugehörige Strom-Spannungs-Kennlinie. Die Durchbruchspannungen CZ₁, U₂ sind frei wählbar. .

Nach einer anderen, in der F i g. 7 dargestellten Ausführung ist ein Halbleiterbauelement 14 nach F i g. 2 mit einer Halbleiterdiode 17 zu einer Steuerbaren Halbleiteranordnung verbunden. Auch hier sind, wie die zugehörige Strom-Spannungs-Kennlinie (Fig. 8) zeigt, die Durchbruchspannungen frei wählbar. ,

Diese Halbleiteranordnungen nach den F i g. 5 und 7 können wie ein Einzelhalbleiterbauelement kontaktiert werden. Die Verbindung der Halbleiterbauelemente 14 und 15 bzw. 14 und 17 erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Lotschicht 16.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerbare Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement, das eine Halbleiterscheibe mit einer pnpn-Zonenfolge aufweist, bei der die beiden äußeren Zonen sich jeweils nur über einen Teil der Gesamtfläche der an ihnen angebrachten Kontaktelektroden erstrecken, während jede dieser Kontaktelektroden über den anderen Teil ihrer Gesamtfläche mit der jeweils nächstliegenden inneren Zone der pnpn-Zonenfolge kontaktiert ist, wodurch die äußeren pn-Übergänge dieser pnpn-Zonenfolge kurzgeschlossen sind, d a durch gekennzeichnet, daß die höher dotierte der beiden inneren Zonen (1,. 2) der pnpn-Zonenfolge mit einer Steuerkontaktelektrode (7) versehen und der Basis der kegelstumpfförmig ausgebildeten Randfläche (8) der Halbleiterscheibe zugewandt ist und daß das Halbleiterbauelement (14) mit irgendeinem zweiten Halbleiterbauelement (15, 17) mit ebenen und parallelen Kontaktelektroden unter entsprechender Polung derart zu einer Säule verbunden ist, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie jedes der bei-. den Halbleiterbauelemente die Strom-Spannungs-Kennlinie der Säule in einer Spannungsrichtung bestimmt.

2. Steuerbare Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleiterbauelement (15) vom gleichen Typ wie das erste Halbleiterbauelement (14) ist.

3. Steuerbare Halbeiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Halbleiterbauelement (17) eine Halbleiterdiode ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen