DE1764791A1 - Halbleiterschalter - Google Patents

Halbleiterschalter

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Description

6633τ68
US-Serial No.: 661 954
Piled: August 21, 1967
Radio Corporation of America New T ο r k , N.T.,7.St.A.
Halbleiterschalter
Die Erfindung betrifft einen in beiden Sichtungen stromleitenden Halbleiterschalter mit Tier Schichten abwechselnden ieitungstyps und einer Anode, welche mit einer äusseren Schicht in Berührung steht, an welche eine Zwischenschicht angrenzt. Der Schalter hat ferner eine Gatterelektrode, welche mit der Zwischenschicht in Kontakt steht, und eine Kathode, welche mit der anderen Aussenschicht und einer angrenzenden Zwischenschicht in Kontakt steht. Diese vier Schichten und drei Elektroden deas Schalters bilden einen gesteurten Gleichrichter, während die Zwischenschichten, die Anode und die Kathode längs des Umfange des Schalterbauelementes einen Diodengleichrichter bilden, welcher Strom in der entgegengesetzten Richtung zu dem Stromfluß durch den gesteuerten Gleichrichter fließen läßt.
Der technische Portschritt des Anmeldungsgegenstandes ist im folgenden erläutert: Die als Thyristor bekannten gesteuerten Gleichrichter sind Vierschicht- PIPN -Halbleiterschalter mit einer Anode, einer Kathode und Gatterelektroden. Sie werden üblicherweise aus Silizium hergestellt. In seinem Normalzustand leitet der gesteuerte Siliziumgleichrichter nicht, wenn nicht seiner Gatterelektrode eine geeignete Steuerspannung oder ein
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Stromimpuls zugeführt wird; dann fließt ein Strom von der Anode zur Kathode und führt der Lastechaltung Leistung zu. Wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter umgekehrt Targespannt, dann ist er nichtleitend und kann nicht durch ein Gatter oder Steuersignal eingeschaltet werden. Wenn der Gleichrichter einmal leitet, ist er nicht mehr steuerbar und der Strom fließt τοη seiner Anode zur Kathode, bis er unter einen bestimmten Wert, den sogenannten Haltstrom, absinkt: dann schaltet der Gleichrichter ab und ist aufs neue über seine Gatterelektrode steuerbar. Diese gesteuerten Siliziumgleichrichter sind festkörperbauelemente und werden in vielen elektrischen Anwendungsfällen anstelle einer Thyratronröhre verwendet.
Bei manchen dieser Anwendungsfälle, beispsielsweise bei bestimmten Umkehrschaltungen, Kraftfahrzeugzündanlagen und Horizontalablenkschaltungen für Fernsehempfänger, ist es jedoch notwendig, parallel zu dem gesteuerten StLiziumgleichrichter eine gesonderte Gleichrichterdiode zu schalten. Ihre Anode bzw. ihre Kathode ist dann mit der Kathode bzw. der Anode des gesteuerten Siliziumgleichrichters verbunden. Auf diese Weise ist die Diode leitend vorgespannt und führt einen Strom, wenn der gesteuerte Siliziumglelchrichter in Sperrichtung vorgespannt ist, d.h. wenn seine Kathode positiv gegenüber seiner Anode ist. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und leichteren Handhabung wäre es jedoch vorzuziehen, wenn man die Punktionen des gesteuerten Siliziumgleichrlchjbers und der zu ihm parallel geschalteten Diode in einen einzigen Bauelement vereinigen könnte, so daß statt des Erfordernisses von zwei Bauelementen und fünf Anschlüssen nur ein einziges BAÜelement mit drei Anschlüssen notwendig
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wäre. Ein solches Bauelement schafft die Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Schaltung eines Teils einer Horizontalab- -lenkschaltung eines Fernsehempfängers unter Verwendung eines Schalters gemäß der Erfindung.
Die Fig. 2a - 2f
zeigen Querschnitte durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement während verschiedener Herstellungsstufen
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung
Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild des in Fig. 3 dargestellten Bauelementes und
Fig. 5 zeigt die Stromspannungscharakteristik des Bauelementes nach den Fig. 3 und 4.
In Figur 1 ist eine Horizontalablenkschaltung für einen Fern— sehempfänger veranschaulicht, in welcher der erfindungsgemäße Schalter benutzt wird. Er umfasst beispielsweise zwei in beiden Richtungen leitende Schaltanordnungen 12 oder 14, die je eine Kombination aus einen gesteuerten Siliziumgleichrichter und einer Diode darstellen, welche den Strom in der dem zugehörigen gesteuerten SiliziumgTeichrichter entgegengesetzten Richtung leitet. Beispielsweise umfasst die Schalteranordnung 12 einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 16 und eine Diode 18, deren Kathode mit der Anode des gesteurten Siliziumgleichrichters 16 und deren Anode mit dessen Kathode verbunden ist. Entsprechend ist die Anode der Diode 22 mit der Kathode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 2o in der Schalteranordnung und ihre Kathode mit seiner Anode verbunden.
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Die in beiden Richtungen leitenden Schalteranordnungen 12 und 14 sind in die Ablenkschaltung so eingefügt, daß sie einen Sägezahnstrom durch die Horizontalablenkwicklung 24 der Bildröhre 26 während des Hinlaufteils des Horizontalablenkzyklus erzeugen. Zu diesem Zweck leitet die Diode 22 während der ersten Hälfte des Hinlaufabschnittee des Ablenkzyklus einen Strom, und der gesteuerte Siliziumgleichrichter 2o leitet den Strom während des Restes des Hinlaufabschnittes. Während des Rücklaufabschnittes sind sowohl die Diode 2o als auch der gesteuerte Siliziumgleichrichter 22 gesperrt.
Zur Einleitung des Hinlaufteils des Zyklus wird die Schalteranordnung 12 durch Anlegen eines Horizontalausgangsimpulses an die Gatterelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 16 leitend gemacht. Während des Rücklaufs kehrt sich der Ablenkstrom um und macht den gesteuerten SJLiziumgleichrichter nichtleitend. Der Strom fließt während dieses Zyklusabschnittes dann durch die Diode 18.
Damit die in beiden Richtungen leitenden Schalteranordnungen und 14 in dem für sie vorgesehenen Sinne arbeiten, müssen parallel zu den gesteuerten Silizumgleichrichtern umgekehrt gepolte Dioden geschaltet sein, welche einen Stromfluß in umgekehrte Richtung während etwa einer halben Hinlaufperiode und während der Rücklaufperiode des Ablenkzyklus gestatten. Das zu diesem Zweck von der Erfindung vorgesehene einzige Bauelement erfüllt diese beiden Funktionen. Se eignet sich daher für Anwendungsfälle der beschriebenen Art in Ablenkschaltungen oder in anderen Schaltkreisen, wo der Stromfluß umgekehrt werden soll,
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wenn sich die Vorspannung umkehrt, wenn also der gesteuerte Siliziumgleichrichter in umgekehrter Richtung Yorgespannt wird und nicht leitet.
Für das anhand der Figuren 2a - 2f erläuterte Herstellungsverfahren ist das Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes ein kristalliner Halbleiterkörper 28, vorzugsweise aus Silizium. Die genaue Form, Zusammensetzung, sein Leitungstyp und spezifischer elektrischer Widerstand ist nicht kritisch. Im dargestellten Beispiel besteht der Körper 28 aus ϊϊ-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 2o ßhm.cm. In der Praxis wird eine große Anzahl von Elementen gleichzeitig in dem Halbleiterkörper 28 ausgebildet. Der Erleichterung der Erläuterung halber ist in den beiliegenden Figuren nur die Herstellung eines einzigen Bauelementes dargestellt.
Auf gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers 28 werden beispielsweise durch Erhitzen des Körpers 28 für etwa 3 Stunden in einer Dampfumgebung Isolierschichten 3o und 32 aus Siliziumdioxyd ausgebildet. (Fig.2b). Dann wird gemäß Figur 2c die Isolierschicht 3o völlig von der oberen Oberfläche des Körpers 28 entfernt und ein Teil der Isolierschicht 32 wird von der unteren Fläche des Körpers 28 zur Bildung eines Fensters 33 entfernt. Dies kann in bekannter Weise beispielsweise μη-ter Anwendung photolithographischer und Ätzverfahren ausgeführt werden.
Anschließend wird ein P- Dotiermittel, beispielsweise Bornitrid auf die freiliegenden Teile der Oberfläche und der Unterflache
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des Körpers 28 aufgebracht. Der Halbleiterkörper wird dANn eine halbe Stunde auf etwa 85o° C erhitzt, so daß das Bor in ihn eindiffundiert. Auf diese Weise werden die Schichten 34 und 36 innerhalb des Körpers 28 gebildet, die sich über seine gesamte Oberseite und den durch das Fenster 33 begrenzten Bereich seiner Unterseite erstrecken. Sie Borzufuhr zu seiner Oberseite wird dann unterbrochen, und der Siliziumkörper 28 wird in einer oxydierenden Atmosphäre etwa 2o Stunden auf 13oq° C erhitzt, wobei das auf der Oberfläche verbliebene Bor in die durch die Öffnung 33 freigelegte Fläche des Halbleiterkörpers eindiffundiert und die Zone 36 in eine stark P-leitende Zone umwandelt.
Dann läßt man gemäß Fig. 2e eine Schicht 38 aus Isoliermaterial beispielsweise Siliziumdioxyd auf der Oberseite des Halbleiterkörpers wachsen oder sich ablagern und bildet eine Öffnung 4o in dieser Schicht aus. Zur gleichen Zeit wächst eine Isolierschicht 44 auf der Unterfläche. Diese Schicht wird dann mit Ausnahme der Fläche über der P-Zone 36 wieder entfernt. Der Halbleiterkörper 28 wird dann im Dampf einer N-Dotiermittelquelle beispielsweise Phosphorperoxyd, etwa zwei Stunden auf ca. 1265° C erhitzt, so daß eine diffundierte ringförmige N+-leitende Zone 46 unter der Öffnung 40 und eine zweite diffundierte ringförmige N-f-leitende Zone 48, welche die P+-Zone 36 an der Unterfläche ces Halbleiterkörpers 28 umgibt, entsteht.
Dann werden die Siliziumdioxydschichten 38 und 44 entfernt und man läSt eine neue Isolierschicht 5o (Fig.2f) auf der Oberseite des Salbleiterkörpers 28 wachsen. Unter Anwendung von photolithographischen und von Ätzverfahren wird eine ringförmige öff-
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nung 51 in dieser Schicht ausgebildet, durch welche ein ringförmiger Graben 53 in den Halbleiterkörper hineingeätzt wird. Nach diesem Schritt wird die Isolierschicht 5o entfernt und eine leitende Metallschicht 55, beispielsweise aus Nickel, wird auf die Oberseite des Bauelementes elektroplattiert oder anderweitig abgelagert. Auf diese Metallschicht 55 werden Kupferelektroden 56 und 58 aufgelötet, welche die Gatterelektrode 56 und die Kathode 58 des gesteuerten Siliziumgleichrichters bilden. Die Unterfläche des Bauelementes wird auf eine metallische Fläche 60 aufgelötet oder aufgeschmolzen, welche beispielsweise eine Oberfläche des Gehäuses oder der Umhüllung sein kann. Diese Oberfläche dient als Anode des gesteuerten Siliziumgleichrichters bei dem fertigen Bauelement.
Das fertige Bauelement ist in seinem Aufbau einem üblichen gesteuerten Siliziumgleichrichter ähnlich; ein bedeutender Unterschied besteht jedoch darin, daß die Zone 61, welche die verbleibende N-leitende Zone des ursprünglichen Halbleiterkörpers 28 ist, mit der Anode 60 des gesteuerten Siliziumgleichrichters verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies durch eine Verbindung der N-leitenden Zone 61 mit der Anode 60 des gesteuerten Siliziumgleichrichters durch die stark dotierte ringförmige N+-Zone 48 bewirkt. Das fertige Bauelement ent^ spricht elektrisch der Schalteranordnung 12 oder der Schalteranordnung 14 gemäß Pig. 1 oder auch der Schalteranordnung gemäß Pig· 4, bei der eine Gleichrichterdiode 62 parallel zu einem gesteuerten Siliziumgleichrichter 64 geschaltet ist und so gepolt ist, daß ihre leitungsrichtung derjenigen des gesteuerten Siliziumgleichrichters 64 entgegengerichtet ist. In dem in Mg.3
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dargestellten Bauelement dient der Umfang als Gleichrichterdiode entsprechend der Diode 62 in Pig. 4. Dae heißt, daß der PN-Übergang der Diode zwischen der P-leitenden Zone 34» welche als Anode der Gleichrichterdiode wirkt, und der N-leitenden Zone 61, welche zusammen mit der stark N-leitenden Zone 48 als Kathode des Diodenglelchrlchters wirkt, gebildet ist. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter ist ein mit den Schichten N+PNP+ gebildeter Aufbau mit einer Anode 6o, einer Kathode 58 und einer Gatterelektrode 56.
Wird der Kathode 61 der Umfangediode eine positive Vorspannung und der Diodenanode 34 eine negatife Vorspannung zugeführt, dann ist die Gleichrichterdiode in Sperrichtung vorgespannt und leitet keinen Strom, in diesem Fall ist der gesteuerte Siliziumgleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt, d.h. seine Kathode 58 istnegativer und seine Anode 6o positiv. Br leitet somit Strom in Richtung von seiner Anode 6o zu seiner Kathode 56. Kehrt die angelegte Vorspannung ihre Polarität um, so daß also die Kathode 61 der ümfangsdiode negativ und die Diodenanode 34 positiv ist, dann let der gesteuerte Siliziumgleichrichter in Sperrichtung, also nichtleitend, vorgespannt und sperrt den Stromfluß. Dagegen ist die Umfangediode in Durchlaßrichtung vorgespannt. Vährend der Perioden, während welche der gesteuerte Siliziumgleichrichter abgeschaltet ist, iit also die durch den Übergang zwischen den P+ und Ϊ-Ζοηβη 34 bzw, 61 gebildete i&äli* Welche zwischen den beiden ohmschen Kontakten UIIt1 leitend vorgeepmnnt und führt einen Strom, eo äil lÜ einzige IiUiIUeIl «inen Stromfluß Ü umgekehrte Mchtung ermöglicht.
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. Wenn der gesteuerte Siliziumgleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann er durch Anlegen positiver Spannungsimpulse an seine Steuerelektrode 56 zum leiten gebracht werden. In diesem Pail fließt ein Defektelektrodenstrom vom Gatterelektrodenkontakt durch die P-leitende Basiszone 34 zum Umfang des Bauelementes, wo die Kathode 58 des gesteuerten Siliziumgleichrichters einen Kontakt zur P-Zone 34 bildet. Der Eandstrom in der P-leitenden Zone 34 hat einen Spannungsabfall zur Polge, welcher an der N+-Zone 46 liegt und diese in der Mitte neben dem Gatterelektrodenkontakt 56 des gesteuerten Siliziumgleichrichters in Durchlaßrichtung vorspannt. Auf diese Weise injiziert die P+-Zone 46 Elektronen. Einige dieser Elektronen diffundieren durch die P-Zone 34 in die Verarmungszone des PH-Übergangs zwischen der P-Zone 34 und der N-Zone 61, wobei sie durch den PH-Übergang in die N-Zone 61 fließen. Einige dieser Elektronen fließen dann am Rande durch die H- und N+-Zone 61 und 48 und wieder heraus zur Anode 6o des gesteuerten Siliziumgleichrichters. Der durch diesen Eandstrom bedingte Spannungsabfall stellt eine Durchlaßspannung für die P+-Zone 36 nahe der Mitte dar, so daß diese Defektelektronen in die N-Zone 61 zu injizieren beginnt. Einige djfeser Defektelektronen diffundieren durch die H-Zone 61 in die P-Zone 34, so daß sich die Durchlaßvorspannung der H+-Zone 46 erhöht und mehr Elektronen injiziert werden. Auf diese Weise wird der den gesteuerten Siliziumgleichrichter bildende Teil des Bauelementes stark leitend.
Die elektrischen Eigenschaften des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Bauelementes sind in Pig. 5 dargestellt, in welcher der von der Anode zur Kathode fließende Strom über der
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- Io -
sswischen Anode und Kathode herrschenden Spannung aufgetragen -ist. Wenn die Anoden-Kathoden-Spannung in Sperrichtung anliegt, dann ist der den gesteuerten Siliziumgleichrichter bildende Teil des Bauelementes nichtleitend, während die Umfangsgliichrichterdiode leitend vorgespannt 1st und Strom führt. Dies zeigt der Abschnitt 66 der Stromspannungskurve. Kehrt sich die Polarität der angelegten Vorspannung so um, daß der gesteuerte Siliziumgleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt 1st, dann fließt ein kleiner Leakstrom. Wenn sich die Durchlaßvorspannung erhöht, dann wird ein Spannungspunkt 68 erreicht, bei dem der Durchlaßstrom stark ansteigt. Erreicht der Durchlaßstrom einen kritischen Wert, dann kehrt die Spannung über dem gesteuerten Siliziumgleichrichter zurück auf einen niedrigen Wert. In diesem Punkt 1st der gesteuerte Siliziumgleichrichter eingeschaltet und der Durchlaßstrom steigt schnell an, wobei die Durchlaßspannung leicht ansteigt. Dies zeigt der Teil 7ο in der Stromspannungskurve.
Die erfindungsgemäßen Bauelemente vereinigen somit in einem einzigen Halbleiterbauelement die erwünschten Betriebseigenschaften eines gesteuerten Siliziumgleichrichters, der ausserdem einen Strom in umgekehrte Richtung führen kann. Die Bauelemente eignen sich insbesondere für elektronische Anwendungen, welche einen gesteuerten Siliziumgleichrichter in Kombination mit einer getrennten parallel geschalteten Gleichrichterdiode erfordern.
Patentansprüche:
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. In beiden Richten stromleitendes Schalterelement mit einem Halbleiterkörper, der vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufweist,zwischen welchen drei PH-Übergänge bestehen, und mit drei Kontaktelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die drei PH-Übergänge und die drei Elektroden (55, 56,6o) einen gesteuerten Gleichrichter (64) bilden, welcher Strom in eine Richtung leitet, und daß zwei der Kontaktelektroden (55»60) und einer der PH-Übergänge (zwischen den Zonen 34 und 61) eine Gleichrichterdiode (62) bilden, welche Strom in der entgegengesetzten Richtung wie der gesteuerte Siliziumgleichrichter leitet, wenn dieser nichtleitend ist.
    Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (55) in Kontakt mit einer äusseren Schicht (46) des Halbleiterkörper (23) und mit einer freiliegenden Oberfläche einer an die äussere Schicht (46) angrenzenden Zwischenschicht (36) steht, daß eine Gatterelektrode (56) in Kontakt mit der Zwischenschicht (34) steht, und daß eine sweite Elektrode (60) in Kontakt mit der anderen äussereren Schicht (36) des Halbleiterkörpers (28) und mit einer freiliegenden
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    Oberfläche einer an die andere äussere Schicht (36) angrenzenden Zwischenschicht (28) steht, daß die vier Halbleiter-schichten (46,34,28,36) und die erste (55), die Gatter-(56) und die zweite Elektrode (6o) einen gesteuerten Siliziumgleichrichter (64) bilden, der Strom in eine Richtung leitet, und daß die Zwischenschichten (34,61) und die erste (55) und die zweite (6o) Elektrode eine Gleichrichterdiode (62) bilden, welche Strom in der entgegengesetzten Richtung wie der gesteuerte Halbleitergleichrichter leitet, wenn dieser nichtleitend ist.
    3. Schalteranordnung nach Anspruch 2, d adurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (55) an die Kathode (46) des gesteuerten Siliziumgleichrichters (64) und an die Anode (34) der Gleichrichterdiode (62) angeschlossen ist und daß die zweite Elektrode (6Q) an die Anode (36) des gesteuerten Siliziumgleichrichters (64) und die Kathode (28) der Gleichrichterdiode (62) angeschlossen ist.
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