DE1589915B2 - Hochspannungsgleichrichter - Google Patents

Hochspannungsgleichrichter

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgleichrichter, bestehend aus einem Halbleiterplättchen mit wenigstens einer zu den Plättchenoberflächen parallelen pn-Ubergangsfläche und an gegenüberliegenden Plättchenoberflächen angeordneten Elektroden, bei dem an der Oberseite des Plättchens entlang dem Umfang und im Abstand von der Randkante des Plättchens eine ringförmige Nut mit einer Tiefe bis unmittelbar vor die pn-Übergangsfläche vorgesehen ist und bei dem die an dieser Plättchenoberfläche vorgesehene Elektrode im mittleren Bereich innerhalb der Nut angeordnet ist.
Aus der USA.-Patentschrift 3 076 104 ist eine zum Einsatz bei sehr hohen Frequenzen geeignete Mesa-Diode bekannt, bei der durch eine Vertiefung ein kleiner aktiver Bereich an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers von einem äußeren inaktiven Bereich abgetrennt ist. Diese Vertiefung reicht fast bis an einen parallel zur Oberfläche des Halbleiterkörpers liegenden pn-übergang und ist ungefähr ebenso tief wie breit. Durch die Vertiefung sollen Oberflächenströme unterdrückt werden. Die Spannungsfestigkeit wird hierdurch nicht wirksam erhöht.
Aus der deutschen Patentschrift 1 207 509 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines gesteuerten Halbleiterstromtors bekannt, bei dem ein n-leitender Siliciumkörper allseitig mit einer p-leitenden Deckschicht versehen wird, in die von der Oberseite ausgehend ein Graben eingearbeitet wird, der bis in die η-leitende Grundschicht reicht. Hierdurch wird die p-leitende Mantelschicht in zwei Teilbereiche aufgetrennt und ein Halbleiterkörper mit zwei parallelen p-leitenden äußeren und einer inneren n-leitenden Schicht erzeugt.
Ferner ist aus der USA.-Patentschrift 2 843 516 ein pin-Halbleitergleichrichter bekannt, bei dem die Konzentration der Dotierung der übereinander angeordneten p- und η-leitenden Schichten in Richtung von den Hauptflächen des Halbleiterkörpers auf die Übergänge zu dem mittleren i-Bereich zu abnimmt.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein Hochspannungsgleichrichter erhöhter Spannungsfestigkeit angegeben werden.
Bei den bisher bekannten Hochspannungsgleichrichtern entsteht am äußeren Rand der Halbleiteranordnung ein hoher Spannungsgradient, der die maximale Sperrspannung begrenzt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bei einer bestimmten Betriebsspannung auftretenden Spannungsgradienten am äußeren Rand herabzusetzen und so die Verwendung höherer maximaler Sperrspannungen zu.gestatten.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Hochspannungsgleichrichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Breite der Nut in radialer Richtung etwa 5- bis lOmal so groß ist wie ihre Tiefe.
Diese Ausnehmung beeinträchtigt so den pn-übergang nicht, während sie gleichzeitig den Randteil des Plättchens von der als Anode dienenden, auf der Oberseite des Plättchens angeordneten Elektrode körperlich trennt. Das heißt, daß die Leitfähigkeit des Siliziumplättchens in seitlicher Richtung sehr gering ist und die Stromleitung bei der Ausbildung der Nut gemäß der Erfindung von der Anode zu dem Plättchenrand durch nur schwach dotierte Teile des Plättchens erfolgt. Wird daher beispielsweise die Anode stark positiv gemacht, so wird der Randbereich nicht aufgeladen, und im wesentlichen die gesamte Potentialdifferenz fällt entlang der Sohle der zwischen der Anode und dem Plättchenrand vorgesehenen flachen Nut ab. Dabei ist jedoch der elektrische Gradient in der Nut niedrig und besitzt einen radialen Verlauf, während gleichzeitig der elektrische Gradient in dem äußeren Randbereich ebenfalls niedrig ist, da die Spannung in seitlicher Richtung nicht bis zu diesem äußeren Rand hinausreicht.
ίο Durch die Erfindung wird es somit möglich, Halbleiterplättchen mit darin vorgesehenen pn-Übergängen zu erzielen, die sich zur Anwendung bei höheren Spannungen eignen, wobei der elektrische Gradient entlang dem äußeren Rand des den pn-Übergang enthaltenden Halbleiterplättchens weitgehend verringert ist.
Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 in Schnittansicht ein typisches Halbleiterplättchen mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Nut,
F i g. 2 eine Teilschnittansicht gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1, welche einen Schnitt durch das Plättchen im Bereich der Nut zeigt, in Verbindung mit einer graphischen Darstellung des Verlaufs der Dotierungskonzentration über die Plättchendicke im Bereich der Nut,
F i g. 3 eine Ausführungsform der Erfindung in An-Wendung auf eine Halbleiteranordnung mit mehreren pn-Ubergängen, wie beispielsweise einen Thyristor.
In F i g. 1 ist ein Halbleitergleichrichter typischer Art dargestellt, der ein in herkömmlicher geläufiger Weise hergestelltes Siliziumplättchen 10 aufweist. Das Plättchen 10 kann beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,25 mm besitzen und eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig oder viereckig; in der einen Oberfläche des Plättchens ist beispielsweise durch Diffusion ein p-Leitfähigkeitsbereich 20 erzeugt, und entsprechend ein n-Bereich 21, beispielsweise ebenfalls mittels Diffusion.
Der p-Bereich 20 ist von dem n-Bereich 21 durch einen Bereich 22 mit Eigenleitfähigkeit getrennt.
Der Verlauf der Dotierungskonzentration über die Dicke des Halbleiterplättchens in F i g. 1 hin ist allgemein in F i g. 2 veranschaulicht, unter Zugrundelegung des gestrichelten Kurventeils 30 zusammen mit dem übrigen Teil 31 der Kurve. Von der Oberseite des Plättchens ausgehend, wo die p-Leitfähigkeitskonzentration am größten ist, nimmt diese Konzentration danach auf den Wert Null in der eigenleitenden Schicht 22 ab und geht in eine n-Konzentration über, welche allmählich in Richtung gegen die Außenoberfläche des Plättchens in dem n-Bereich 21 stetig zunimmt. An der Ober- und Unterseite des Plättchens werden sodann in herkömmlicher Weise geeignete Elektroden wie beispielsweise eine Anode 32 und eine Kathode 33 angebracht.
In die Oberseite des Plättchens 10 wird nach einem beliebigen geeigneten Ätzverfahren eine Nut 40 eingeätzt, und zwar bis zu einer Tiefe unmittelbar vor der inneren Stirnseite des p-Bereichs 20, um den Umfangsbereich des Plättchens von der Anode 32 zu trennen.
Bei einer typischen Ausführungsform erstreckt sich beispielsweise der n-Bereich über etwa 0,075 mm und in ähnlicher Weise der p-Bereich über etwa 0,075 mm.
Die Tiefe der Nut beträgt in diesem Falle etwa 0,063 mm und ist in der Dotierungs-Konzentrationskurve in F i g. 2 etwa an der mit einem Pfeil bezeichneten Stelle anzunehmen. Die Nut besitzt somit von der Plättchenoberfläche her gesehen eine Tiefe bis zu einer Stelle unmittelbar vor dem Beginn des Eigenleitfa'higkeitsmaterials in dem Plättchen.
Im Betrieb der Vorrichtung bewirkt die Nut 40 eine elektrische Trennung des äußeren Randbereichs des Plättchens von der Anode 32, da die Leitfähigkeit des Siliziums in seitlicher Richtung in dem nur leicht dotierten Bereich unterhalb der Sohle der Nut 40 nur sehr gering ist.
Bei Verwendung des Halbleitergleichrichters für Hochspannungsanwendungen, wobei die Anode stark positiv gemacht wird, kann sich daher der äußere Rand nicht auf dieses hohe Potential aufladen, da im wesentlichen die gesamte Potentialdifferenz entlang der Sohle der flachen Nut 40 auftreten wird. Es sei dabei darauf hingewiesen, daß 'bei dem beschriebenen Ausführungebeispiel der Erfindung die Nut 40 eine radiale Breite in der Größenordnung von etwa 1 mm, d. h. etwa dem Vierfachen der Plättchendicke, besitzen kann.
Somit kann die gesamte Potentialdifferenz entlang der Sohle der flachen Nut abfallen, wobei der elektrische Gradient entlang der Sohle infolge deren verhältnismäßig großen radialen Abmessung verhältnismäßig niedrig ist. Der elektrische Gradient in dem äußeren Randbereich wird dann ebenfalls sehr niedrig, da die Spannung nicht bis zu dieser weit außen gelegenen seitlichen Stelle hinausreicht.
Vorstehend wurde die Anwendung der Erfindung im Fall einer Diode oder sonstigen Anordnung mit nur einem pn-übergang beschrieben; selbstverständlich ist die Erfindung ebenso gut auf Anordnungen mit mehreren pn-Ubergängen wie beispielsweise Thyristoren anwendbar.
In F i g. 3 ist die Anwendung der Erfindung auf einen Thyristor veranschaulicht; dieser besteht aus einem Siliziumplättchen 50 mit den folgenden abwechselnd aufeinanderfolgenden Leitfähigkeitstypen: p-Schicht51, n-Schicht52, p-Schicht 53 und n-Schicht 54. An der n-Schicht 54 ist eine Kathode 55 angeordnet, während an der p-Schicht 53 eine Steuerelektrode 56, die ringförmig ausgebildet sein kann, ,angeordnet ist. An der unteren p-Schicht51 ist sodann eine Anode 57 angebracht.
In einem typischen Fall können die Schichten 51, 52 und 53 jeweils eine Dicke von etwa 0,1mm besitzen; die Nut 60 kann etwa 0,75 mm breit sein; der Abstand von der Innenseite der Nut 61 zu der Innenseite der Nut 60 beträgt etwa 0,75 mm, und die Nut 61 ist etwa 0,5 mm breit.
Die Nut 60 trennt somit den inneren Teil des n-Bereichs 52 von dessen äußeren Teil derart, daß in dem äußeren Rand des n-Bereichs 52 keine hohe Spannung auftreten wird.
Entsprechend dient die weiter innen gelegene Nut 61 zur Isolation der Anode 55 von dem inneren Rand der p-Schicht 53. Wie ohne weiteres ersichtlich, wirken sich die Begrenzungen der Spannungsgradienten in dem Thyristor gemäß F i g. 3 in gleicher Weise wie in F i g. 1 aus, derart, daß der Thyristor gemäß F i g. 3 mit außerordentlich hohen Spannungen betrieben werden kann ohne Gefahr des Durchbruchs an den Rändern.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Hochspannungsgleichrichter, bestehend aus einem Halbleiterplättchen mit wenigstens einer zu den Plättchenoberflächen parallelen pn-Ubergangsfläche und an gegenüberliegenden Plättchenoberflächen angeordneten Elektroden, bei dem an der Oberseite des Plättchens entlang dem Umfang und im Abstand von der Randkante des Plättchens eine ringförmige Nut mit einer Tiefe bis unmittelbar vor die pn-Übergangsfläche vorgesehen ist und bei dem die an dieser Plättchenoberfläche vorgesehene Elektrode im mittleren Bereich innerhalb einer Nut angeordnet ist, da durchgekennzeichnet, daß die Breite der Nut (40, 60, 61) in radialer Richtung etwa 5- bis lOmal so groß ist wie ihre Tiefe.
2. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei im_Abstand voneinander und parallel zTFlieirTiättchenoberflächen angeordneten pn-Übergangsflächen im Inneren des Plättchens, dadurch gekennzeichnet, daß an der Plättchenoberseite in Abstand voneinander zwei ringförmige konzentrische Nuten (60, 61) vorgesehen sind, daß die erste innere Nut (61) bis zu einer Tiefe kurz vor der ersten pn-Übergangsfläche und die zweite äußere Nut (60) durch die erste pn-Übergangsfläche hindurch bis kurz vor der zweiten pn-Übergangsfläche geführt ist (Fig. 3).
3. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein über die Plättchendicke hin veränderlicher Verlauf der Konzentration von Dotierungssubstanzen vorgesehen ist (vgl. 30, 31 in Fig. 2), welche einen oberen p-Bereich und einen unteren n-Bereich definieren, wobei der p-Bereich sich von der Oberseite des Plättchens in Richtung auf die Plättchenschichtmitte mit allmählich abnehmender Konzentration der p-Dotierung erstreckt, während sich der η-Bereich von der Unterseite des Plättchens in Richtung zur Plättchenschichtmitte mit einer allmählich abnehmenden Konzentration der η-Dotierung erstreckt, und daß die Tiefe der ringförmigen Nut (40 in Fig. 1) bis an die Stelle reicht, an welcher die p-Dotierung nahezu Null ist.
4. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (40) eine im ganzen gesehen flache Sohle in einer Ebene aufweist, die unmittelbar oberhalb der Ebene liegt, in welcher die p-Dotierungskonzentration Null wird.
5. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p- und η-Bereiche durch einen mittleren Bereich mit Eigenleitfähigkeit (22 in F i g. 1) voneinander getrennt sind.
6. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die p-, n- und i-Bereiche (20 bzw. 21 bzw. 22) annähernd gleiche Dicke besitzen.
7. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Schicht eine Dicke von etwa 0,05 mm und die Nut (40) eine Tiefe von weniger als 0,063 mm und mehr als etwa 0,05 mm besitzen.
i oöä b> ι ο
8. Hochspannungsgleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nuten (60, 61 in F i g. 3) mit flachen Sohlen ausgebildet sind, die in Ebenen parallel zu den Plättchenoberflächen liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DE19671589915 1966-01-06 1967-01-03 Hochspannungsgleichrichter Pending DE1589915B2 (de)

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