DE1803935A1

DE1803935A1 - Mehrschichtiges Halbleiterbauelement mit zumindest vier pn-UEbergaengen

Info

Publication number: DE1803935A1
Application number: DE19681803935
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Josef Kredl
Original assignee: CKD Praha DIZ AS
Current assignee: CKD Praha DIZ AS
Priority date: 1967-10-20
Filing date: 1968-10-18
Publication date: 1969-10-02
Also published as: FR1587166A

Description

Mehrschichtiges albleiterbauelement mit zumindest vier pn-Ubergängen.
Die Erfindung betrifft ein mehrsohichtiges lialbleiterbauelement mit zumindest vier pn-Übergängen zum Einschalten, Ausschalten und Regeln des elektrischen Stromes.
Es sind steuerbare Halbleiterbauelemente bekannt, bei welchen vermittels einer Steuerelektrode die Leistung eines Wechselstromkreises geregelt wird und welche als Einschalter Verwendung finden Diese steuerbaren Halbleiterbauelemente, die sogen. Tyristoren, umfassen eine aus drei pn-Übergängen bestehende Halbleiteranordnung, die insgesamt drei Anschlüsse besitzt, und zwar eine Anode und eine Kathode zum Einschalten in den Kreis einer Stromquelle und ferner einen Anschluß der Steuerelektrode. Wie erwähnt, sind die Thyristoren imstande, einen elektrischen Stromkreis lediglich zu schließen, deh. ihren hohen Widerstand sprungweise in einen niedrigen Widerstand zu ändern. Sie sind Jedoch nicht imstande, den umgekehrten Vorgang durchzuführen, also den Stromkreis zu öffnen, d.h. den niedrigen Widerstand in einen hohen Widerstand zu ändern.
Bei den bekannten steuerbaren Halbleiterbauelementen wird dieses Problem derart gelöst, daß an eine verzweigte Steuerelektrode des Thyristors zur Löschung desselben ein Impuls entgegengesetzter Polarität gegenüber dem Zündimpuls angelegt wird0 Diese Steuerungsart erfordert eine Steuerelektrode mit erheblicher Verzweigung, aus welchem Grunde diese zur Anwendung in Starkstromanlagen ungeeignet ist. Es wird bei der Löschung ein Stromverstärkungsfaktor von 10 - 30 erreicht.
Eine andere bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, daß in einem Teil zwischen dem Emitter und dem Sperrübergang ein unabhängiger pn-Sbergang ausgebildet ist, der zur Stromflußrichtung des in Sperrichtung eingeschalteten Thyristors parallel liegt. illit einer ansteigenden Sperrspannung an diesem Übergang breitet sich die raumeladene Schicht dieses Überganges in die Zone aus, die von den Stromträgern im gezündeten Zustand durchflossen wird, und somit begrenzt sie diesen Strom. Bei einer großen Spannung breitet sich diese raumgeladene schicht dermaßen aus, daß sie den ganzen Raum für den Durchfluß der Stromträger einnimmt, und so wird der Stromdurchfluß durch den Thyristor unterbrochen. Ein derartiges Bauelement erfordert zu seiner Tätigkeit eine hohe Spannung, und zwar im 1000 V-Bereich, wobei die raumgeladene Schicht eine Dicke von etwa 0,1-0,2 aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel der bekannten Halbleiterbauelemente der eingangs beschriebenen Art zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die pn-Übergänge zum Ausschalten und Regeln des elektrischen Stromes in einer dem Sperrübergang benachbarten Schicht untergebracht und in einer bene angeordnet sind, die die Richtung des Stromträgerflusses schneidet, Bei einer derartigen Halbleiteranordnung wird der Löschimpuls über die Steuerelektrode mit Hilfe der in der dem Sperrübergang benachbarten Zone ngeordneten Schicht zugeführt, in welcher auch gleichzeitig der Emitter ausgebildet ist. Dieser Löschimpuls erfordert eine Spannung von 3 bis 20 V gegenüber dem Emitter. Durch Anordnung des @usschalt- oder Löschüberganges in der die Richtung des Stromflusses schneidenden Ebene wird ein hoher Wirkungsgrad der siegelung und des Ausschaltens im ganzen Querschnitt des Stromflusses erreicht.
Die Ausschaltübergänge können entweder kompakt ausgebildet sein, in welchem Falle die Schicht, n welche der Ausschalt- oder Löschimpuls angelegt wird, zwei pn-Übergänge bildet, oder sie sind geteilt, wobei die nen der einzelnen zeile dieser Übergänge in einer die Richtung des Stromträgerflusses schneidenden Ebene liegen und voneinander h@chstens 4 am entfernt sind.
Der geteilte bergang hat die Gestalt eines Gitters, in dessen Löchern der Ausschaltimpuls ein elektrisches Feld bildet, das auf die vom Emitter kommenden Stromträger abweisend wirkt und gleichzeitig die Stromträger des entgegengesetzten Leitungstyps einfängt, die vom Sperrübergang kommen.
Zum Ein- und Ausschalten des elektrischen Stromes können an der Halbleiteranordnung in der dem Sperrübergang benachbarten Schicht und an der in dieser ausgebildeten Steuerschicht zwei selbständige Kontakte und Anschlüsse der Steuerelektrode oder ein einziger Kontakt und ein Anschluß der Steuerelektrode angeordnet sein Die Vorteile des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Halbleiterbauelementes bestehen darin, daß es kontaktfrei den elektrischen Stromkreis mit einem hohen Wirkungsgrad öffnet und eine stufenlose Änderung der Frequenz des Wechsel- und Gleichstromes ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann in Starkstromkreisen verwendet werden, da es den Strom durch zwei separate Steuerelektroden ein- und ausschaltet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung naher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt eines vierschichtigen Halbleiterbauelementes mit in der Ebene des Stromflusses liegenden geteilten Ausschaltübergängen mit einer Steuerelektrode; Fig. 2 einen Schnitt eines vierschichtigen Halbleiterbauelementes mit in der Ebene des Stromflusses liegenden geteilten Ausschaltübergängen mit zwei Steuerelektroden; Fig. 3 den Schnitt A-A durch das Halbleiterbauelement nach Fig. 1 bzw. 2 in der Zone der Ausschaltelektrode; Fig. 4 einen Schnitt eines vierschichtigen Halbleiterbauelementes mit zwei kompakten Ausschaltübergängen; Fig. 5 einen Schnitt eines vierschichtigen Halbleiterbauelementes, bei welchem die Ausschaltübergänge an die Oberfläche des Halbleiterkörpers treten; Fig. 6 den Schnitt B-B durch die Kontaktfläche des Halbleiterkörpers des Bauelementes nach Fig. 5.
Das in Fig. 1 gezeigte Halbleiterbauelement enthält einen Halbleiterkörper mit vier pn-Übergängen 1, 2, 3, 4. Zwei dieser uebergänge, die Sperrübergänge 1, 2 sind kompakt ausgestaltet, der dritte pn-2bergang 3 zum Ausschalten oder Löschen und zum Regeln ist geteilt und hat die Gestalt eines Gitters, der vierte pn-8bergang ist ein Emitterübergang mit der Schicht 10.
Die Steuerelektrode 11 ist derart ausgebildet, daß sie die Schichten 8 und 9 kurzschließt, und dient ao zum Ein- und Ausschalten und zum Regeln des Stromkreises, oder sie ist von der Schicht 8 isoliert. In diesem Falle muß für die Schicht 8 ein neuer Kontakt 12 (Fig. 2) auagebildet werden, und es entstehen somit zwei Steuerelektroden, einerseits an der Schicht 8 zum Einschalten oder Zünden und andererseits an der Schicht 9 zum Aueschalten oder Löschen.
Die Wirkungsweise des Halbleiterbauelementes ist in den Fig. 1, 2 und 3 veranschaulicht, in welchen die Schicht 6 p-leitend, die Schicht 7 n-leitend, die Schicht 8 p-leitend, die Schicht 9 n-leitend und die Schicht 10 n-leitend sind.
Beim Einschalten des elektrischen Stromes an der kathode ist am Kontakt der Schicht 10 eine gegenüber der Anode negative Spannung angelegt, am Kontakt der Schicht 6 liegt eine Spannung im Bereich von 10-1200 V, die an der am Übergang 2 entstandenen raumgeladenen Schicht eingefangen ist. Durch Anlegen einer gegenüber der Kathode positiven Spannung an die Steuerelektrode 11 wird ein Elektronenfluß aus der Emitterschicht 10 hervorgerufen, wobei ein Teil dieser Elektronen durch die raumgeladene Schicht des ueberganges 2 vordringt und eine Verringerung des Potentials der Schicht 7 gegenüber der Schicht 10 verursacht. Infolge der notwendigen Neutralisierung der überschüssigen Elektronen in der Schicht 7 führt dies zur Injektion der Löcher aus der Schicht 6. Durch Einwirkung des Elektronenfluases über die raumgeladene Schicht des Überganges 2 verringert sich die Höhe der Barriere derselben, was eine weitere Elektroneninjektion aus der Schicht 10 in die Schicht 7 und somit auch eine weitere reaktive Injektion der Löcher aus der Schicht 6 zur Polge hat. Infolgedessen verläuft der ganze Vorgang lawinenartig, bis die am Übergang 2 befindliche raumgeladene Schicht gelöscht ist. Diese raumgeladene Schicht am pn-8bergang 2 bildet einen hohen Widerstand des Bauelementes, und durch deren Löschung verringert sich der Widerstand sprungusise, d.i durch Einschalten bzw.
Zünden, auf einen niedrigen Wert.
Das Auchalten des elektrischen Stromes wird dadurch möglich, daß ein erforderlicher Spannungegradient zwischen den in der Schicht 8 eingebetteten Schichten 9 und 10 ausgebildet werden kann.
Das iQusschalten erfolgt derart, daß an die Steuerelektrode und somit gleichzeitig an die Schicht 9 eine gegenüber der Kathode, der Schicht 10, negative Spannung angelegt wird. Dadurch wird eigentlich den Elektronen, die von der Schicht 10 über die Schicht 8 zur Schicht 7 fließen, das aus den Schichten 8, 9 bestehende Gitter, das eine negative Ladung trägt, in den Weg gestellt, und es entsteht gegenüber den Elektronen ein Feld, welches diese abweist.
Bei einer gewissen Spannung an der Schicht 9 ist das abweisende Feld so stark, daß es die Elektronen daran hindert, durch die Gitterschichten 9 vorzudringen, und in diesem Augenblick ist das Halbleiterbauelement nichtleitend, wobei es zur Erneuerung der Raumbarriere am pn-Übergang 2 kommt. Gleichzeitig fängt die Schicht 9 den Fluß der vom Anodenemitter, d.i. der Schicht 6, durchdringenden Löcher ein. Es geht also daraus klar hervor, daß je nach der über die Steuerelektrode an die Schicht 9 angelegten negativen Spannung der durch das Bauelement hindurchgehende Strom geregelt und ausgeschaltet, d.h. der Stromkreis geöffnet werden kann. Je nach der Größe der Löcher im Gitter wird ein mehr oder weniger hoher Verstärkungskoeffizient der Ausschaltung erreicht; bei großen Abmessungen der Löcher erhält man einen kleineren Koeffizient.
Eines der Herstellungsverfahren, und zwar des Halbleiterbauelementes gemäß Fig. t, besteht darin, daß an einem Einkristallsiliziumkörper vom n-leitungstyp mit einer Stromträgerkonzentration von 1012 - 1014/cm3 nach Reinigung eine Eindiffusion aus einer aufgetragenen Alkohol- oder Wasserlösung von Al(N03)3 durchgeführt wird, wodurch die pn-Übergange 1, 2 und Schichten 6, 8 mit einer Oberflächenkonzentration der Stromträger von 5.1016/cm3 entstehen.
Darauf wird die Schicht 6 mit Hilfe der Eindiffusion aus einer aufgetragenen Alkohol- oder Wasserlösung von H3BO3 verstärkt, und es entsteht eine Oberflächenkonzentration der Stromträger von 501020/cm30 1viit Hilfe einer Maske aus einem photoempfindlichen Werkstoff wird sodann auf der Schicht 8 das Gitter derart ausgebildet, daß an Stellen, wo unter der Oberfläche die Schicht 9 sein soll, auf der Oberfläche der Schicht 8 aus einem Phosphitbad stromlos eine Nickelphosphorschicht abgeschieden wird, aus welcher die Phosphor-Eindiffusion erfolgt und so die Basis des Gitters entsteht0 Nach dieser Eindiffusion wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers auf der Seite der Schicht 9 in siedender 30ffi-Kalilauge bis zu einer Stromträgerkonzentration von 1018/cm3 geätzt, wobei die Fläche für die Steuerelektrode 11 maskiert wird. Weiter wird die Eindiffusion aus einer Alkohol- oder Wasserlösung von H3303 (0,05%) durchgeführt, bis eine Stromträgerkonzentration von 2.1018/cm3 auf der Oberfläche der Schicht 8 erreicht ist und die Schicht 9 mittels dieser Eindiffusion in den Halbleiterkörper eindringt. Darauf wird wiederum auf die Stellen, wo die Schicht 10 entstehen soll, unter Schutz der photoempfindlichen Maske eine Nickelphosphorschicht aus dem Phosphitbad aufgetragen und die Eindiffusion durchgeführt, bei welcher die Schicht 10~entsteht. Darauf wird die Basis der Kontakte 13 auf der Anode, der Kathode und der Steuerelektrode mit Hilfe einer stromlos abgeschiedenen Nickelachicht in Kombination mit einer Photoresistmaskiertmg ausgebildet. Ferner werden das Anlöten an die Versteifungsplatte, das Schleifen des Halbleiterkörpers und die Oberflächenbehandlung desselben vorgenommen.
Ein weiteres Herstellungsverfahren ist in Fig. 4 veranschaulicht. In diesem Falle ist der Vorgang ähnlich wie beim ersten Verfahren bis zur Bildung der Schicht 9, wonach, wie folgt, vorgegangen wird. Mit Hilfe der aus einem photoempfindlicben Werkstoff bestehenden Maske wird auf der Oberfläche der Schicht 8 das Gitter derart ausgebildet, daß an Stellen, wo unter der Oberfläche die Schicht 9 sein soll, eine Nickelphosphorschicht aus dem Phosphitbad abgeschieden wird, aus welcher die Phosphor-Eindiffusion vorgenommen wird, wodurch die Schicht 9 von festgelegter iefe entsteht. Darauf wird wiederum mit Hilfe der Maske die Nickelphosphorschicht an denjenigen Stellen abgeschieden, unter welchen die Schicht 10 sein soll, und es wird die Eindiffusion durchgeführt, bei welcher die Schicht 2 entsteht0 Ferner wird die Kontaktierung mit Hilfe der Kombination der Maskierung und stromlosen Vernickelung derart vorgenommen, daß sich das System gemäß Fig. 4 ergibt, und der Prozeß wird anschließend durch Anlöten der Versteifungsplatten, Schleifen des Hanbleiterkörpers und dessen Oberflächenbehandlung zu Ende geführt.
In diesen beiden Fällen ist es vorteilhaft, an der Stelle des Kontaktes der Steuerelektrode die Schicht 8 vom p+-Leitungstyp auszubilden, was durch Eindiffusion aus einer auf die bestimmte Fläche aufgetragenen Schicht von H3303 erreicht wird.

Claims

Patentansprüche 1. Mehrschichtiges Halbleiterbauelement mit zumindest vier pnübergangen zum Einschalten, Ausschalten und Regeln des elektrischen Stromes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die pn-Übergänge (3) zum Ausschalten und Regeln des elektrischen Stromes in einer dem Sperrübergang (2) benachbarten Schicht (8) untergebracht und in einer Ebene angeordnet sind, die die Richtung des Stromträgerflusses schneidet.
2. Mehrschichtiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge (3) zum Ausschalten und Regeln des elektrischen Stromes geteilt sind, wobei die Kanten der einzelnen Schichten (8) dieser pn-Übergänge (3) in einer die Richtung des Stromträgerflusses schneidenden Ebene liegen und voneinander höchstens 4 mm entfernt sind.
3. Mehrschichtiges Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ein- und Ausschalten des elektrischen Stromes in der dem Sperrübergang benachbarten Schicht (8) und an der in dieser ausgebildeten Steuerschicht (9) zwei selbständige Kontakte und Anschlüsse der Steuerelektrode (12 bzw. 1i) angeordnet sind.
4. Mehrschichtiges Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ein- und Ausschalten des elektrischen Stromes in der dem Sperrubergang benachbarten Schicht (8) und n der i dieser ausgebildeten Steuerschicht (9) ein einziger Kontakt und ein Anschluß der Steuerelektrode (11) angeordnet sind.