DE1912192A1

DE1912192A1 - Halbleiterschaltelement mit Gleichrichterdiodenaufbau

Info

Publication number: DE1912192A1
Application number: DE19691912192
Authority: DE
Inventors: John Philips
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-03-13
Filing date: 1969-03-11
Publication date: 1969-10-02
Also published as: BE729763A; FR2009809A1; GB1251088A; FR2009809B1; US3584270A; IE32763L; SE389428B; IE32763B1; ES364658A1

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER 1912192

Patentanwalt
4 Düsseldorf-Eller Am Straussenkreuz 53 Postfach 124

WE 39 294 Düsseldorf, 10. März 1969

"Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Halbleiterschaltelement mit Gleichrichterdiodenaufbau

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterschaltelemente, insbesondere auf Halbleiterschaltelemente, die als Gleichrichter ausgebildet sind.

Bei Betrieb von Halbleiterschaltelementen mit einem Flächengleichrichteraufbau darf der Scheitel-Nennwert der Sperrspannung nicht überschritten werden, auch nicht kurzzeitig, weil es anderenfalls zu einer Zerstörung des Gleichrichters kommen kann. Nach dem Durchbruchsprinzip arbeitende Gleichrichteranordnungen sind gegenüber Stoßspannungen in Sperrichtung weniger empfindlich, da der Durchbruchsvorgang sich gleichmäßiger über den Bereich des Schaltelementes verteilt und somit eine höhere Abfuhr der Verlustleistung als bei herkömmlichen Gleichrichtern möglich ist. Jedoch erfolgt auch der DurchbruchsVorgang in verhältnismäßig kleinen, diskreten Gebieten, so daß die Stoßspannungen auch in diesem Fall nicht sehr lange andauern dürfen, wenn eine Zerstörung des Aufbaus vermieden werden soll.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Halbleitergleichrichters mit einem Aufbau, der in Durchlaßrichtung ein Strom-/Spannungsverhalten wie eine herkömmliche Halbleiter-Gleich-

9098 Λ 0/1105

richterdiode aufweist, in Sperrichtung jedoch ein Strom-/Spannungsverhalten besitzt, das bei Überschreitung einer bestimmten Sperrspannung gewährleistet, daß das Schaltelement von einem Sperrzustand hohen Widerstandes in einen leitenden Zustand niedrigen Widerstandes übergeht»

Zur Lösung dieser ,Aufgabe ist ein Halbleiterschaltelement mit einem Gleichrichterdiodenaufbau, der eine erste und eine zweite, zwischen sich einen p-n-Übergang einschließende Halbleiterzone eines ersten und eines zu dem ersten entgegengesetzten zweiten Leitungstyps sowie erste und zweite, in nicht gleichrichtender Verbindung elektrisch an die erste bzw. die zweite Zone angeschlossene Kontaktelektroden aufweist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Gleichrichterdiodenaufbau wenigstens ein weiterer schaltend ausgebildeter Aufbau mit vier Zonen und drei übergängen geschaltet ist, der bei einer unterhalb der Sperrichtungs-Durchbruchsspannung des Gleichrichterdiodenaufbaus liegenden Spannung von einem Zustand hohen Widerstandes in einen Zustand niedrigen Widerstandes übergeht, und daß der schaltend ausgebildete Aufbau eine erste Zone des einen ersten Leitungstyps aufweist» die eine integrale Fortsetzung der ersten Zone des Diodenaufbaus bildet; ferner eine zweite Zone des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps , die mit der ersten Kontaktelektrode verbunden ist und mit einem p-n-Übergang an die erste Zone des schaltend ausgebildeten Aufbaus angrenzt; eine dritte Zone des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, die eine integrale Fortsetzung der zweiten Zone des Gleichrichteraufbaus bildet und mit der ersten Zone des schaltend ausgebildeten Aufbaus einen p-n-Übergang als Fortsetzung des p-n-Übergangs des Gleichrichterdxodenaufbaus begrenzt; sowie eine vierte Zone des einen ersten Leitungstyps, die elektrisch mit der zweiten Kontaktelektrode verbunden ist und mit einem p-n-Übergang an die dritte Zone angrenzt.

Das Halbleiterschaltelement nach der Erfindung kann daher als Halbleiter-Gleichrichteranordnung angesehen werden, die die Selbstschutzeigenschaften des in Sperrichtung wirksamen schaltenden

909840/1105

StrornVSpannungsverhaltens, das vor Erreichen des zur Zerstörung führenden Sperrichtung-Durchbruehsspannungswertes einen Übergang von einem Sperrzustand mit hohem Widerstand in einen leitenden Zustand mit niedrigem Widerstand gewährleistet, mit dem herkömmlichen Strom-ZSpannungsverhalten einer Flächengleichrichteranordnung in Durchlaßrichtung vereinigt, so daß die Zuverlässigkeit im Betriebsverhalten der Anordnung in großem MaSe erhöht wird.

Als Ersatzschaltbild gesehen liegt der von zwei Zonen mit einem einzigen Übergang gebildete Bereich der Anordnung, der das herkömmliche Strom-/Spannungsverhalten in Durchlaßrichtung besitzt, in Parallelschaltung zu dem vier Zonen mit drei Übergängen aufweisenden Bereich der Anordnung, der den Übergang aus dem Sperrzustand mit hohem Widerstand in den leitenden Zustand mit niedrigem Widerstand veranlaßt, bevor der Bereich mit den zwei Zonen und dem einzigen Übergang der Einwirkung einer zur Zerstörung führenden Sperrichtungs-Durchbruchsspannung ausgesetzt wird, d.h. die beiden Bereiche des Schaltelementes sind einander so zugeordnet, daß ein Durchbruch oder ein Durchgriff jeweils nur über den die vier Zonen mit den drei Übergängen aufweisenden Bereich des Elementes erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ersatzschaltbild mit den beiden unterschiedlich aufgebauten Bereichen eines Schaltelementes nach der Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung, die das Strom-/Spannungsverhalten eines Schaltelementes nach der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines Schaltelementes nach der Erfindung;

9 0 9840/1 1DS ",' . ■ : '

Fig. 4-6 im Schnitt Seitenansichten von drei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Wie weiter oben erwähnt, handelt es sich bei dem Schaltelement nach der Erfindung um einen in Sperrichtung schaltenden Gleichrichter, der als Korabination und zu einem einheitlichen Körper zusammengefaßt einen Diodenteil mit einem p-n-Übergang und einem parallel dazu geschalteten Schaltteil mit p-n-p-n-Aufbau aufweist, wie das mit Fig. 1 schematisch gezeigt ist.

In Durchlaßrichtung führt das Schaltelement Strom wie ein normaler Flächengleichrichter. In Sperrichtung blockiert das erfindungsgemäße Schaltelement den Stromfluß, bis eine bestimmte Spannung überschritten wird, bei der es dann rasch schaltet, bis die Spannung oder der Strom im wesentlichen auf Null abgesunken sind. Dieser Vorgang ist grafisch mit Fig. 2 veranschaulicht.

Mit Fig. 3 ist schematisch der Aufbau eines Grundelementes 10 nach der Erfindung wiedergegeben, das als einzelner, zusammenhängender Körper aus Halbleitermaterial ausgebildet ist.

Das Grundelement 10 der Fig. 3 hat einen mittleren, zwischen den gestrichelten Linien liegenden Bereich 12, der von einem Schaltbereich mit vier an drei Übergängen aufeinander folgenden Zonen ge-r bildet ist, sowie einen den mittleren Bereich umschließenden, als Flächendiode ausgebildeten Umgebungsbereich 14.

Zur Vereinfachung der Erläuterung werden nachstehend der mittlere Bereich 12 als NPNP-Eleraent und der Umgebungsbereich 14 als PN-EIement bezeichnet.

Der als schaltendes Element wirksame mittlere Bereich 12 besitzt einen Kathodenemitter 16, einen Anodenemitter 18 sowie Basiszonen 20 und 22. Dabei liegen zwischen dem Kathodenetnitter 16 und der Ba-

909840/1105 .:-

siszone 20 ein p-n-Übergang 24, zwischen den Basiszonen 20 und 22 ein p-n-Übergang 26 und zwischen der Basiszone 22 und dem Anodenemitter 18 ein p-n-Übergäng 28.

Der Umgebungsbereich .14 weist eine erste Zone 30, eine zweite Zone 32 sowie einen sich dazwischen erstreckenden p-n-Übergang 34 auf.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bildet die Zone 30 des Umgebungsbereiches 14 zum Umgebungsbereich 14 hin die Fortsetzung der Basiszonen 20 des schaltenden, mittleren Bereiches, während die Zone 32 des Umgebungsbereiches 14 eine entsprechende Fortsetzung der Basiszone 22 des schaltenden Bereiches und der p-n-Übergang 34 des Umgebungsbereiches 14 eine entsprechende Fortsetzung des Überganges 26 des schaltenden Bereiches bilden.

An dem Kathodenemitter 16 und der ersten Zone 30 einerseits sowie dem Anodenemitter 18 und der zweiten Zone 32 andererseits ist jeweils ein ohmscher Kontakt 36 bzw. 38 angebracht.

Die beiden zusammenhängenden Bereiche 20-30 und 22-32 des Elementes lassen in den mittleren Bereichen bei hohen Temperaturen erzeugte Leck- oder Kriechströme durch die ohmschen Kontakte 36 und 38 und nicht nur über den Kathodenemitter 16 bzw. den Anodenemitter 18 abfließen, was sonst zu einem vorzeitigen Schalten führen könnte.

Das Überbrücken eines Emitter~/Basisbereiches eines p-n-p-n-Elementes ist bekannt; bei dem Schaltelement nach der Erfindung sind ,jedoch beide EmItter-/BasisbereiclBüberbrückt.

Es wurden zwei Arten von Schaltelementen unter Anwendung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien hergestellt. Die beiden Schaltelementtypen unterscheiden sich dabei in der Art des Schaltmechanismus. Im einen Fall wird das Element durch den durch den Lawinenmechanismus erzeugten Strom, im anderen Fall dagegen infolge eines Durchgriffsstrom-Vervielfachungseffektes geschaltet.

909840/1105

Mit Fig. 4 ist ein entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebautes Schaltelement 100 gezeigt, bei dem die Umschaltung aus dem Sperrzustand mit großem Widerstand in den leitenden Zustand mit niedrigem Widerstand bei Überschreitung einer bestimmten Spannung erfolgt. Ausgelöst wird die Schaltung des Elementes 100 der Fig. 4 dabei durch den durch den Lawinenmechanismus erzeugten Strom.

Das Schaltelement 100 der Fig. 4 weist wieder einen hier mit 112 bezeichneten, durch gestrichelte Linien begrenzten Bereich 112 mit einem von vier Zonen, die mit drei Übergängen aneinander anschließen, gebildeten schaltenden Teil 101 sowie einen hier mit 114 bezeichneten, als Flächendiode 103 ausgebildeten Umgebungsbereich auf. - . - ..

Der Einfachheit halber sollen der schaltende Teil 101 als NPNP-Element und die Diode 103 als PN-Element bezeichnet werden.

Der schaltende Teil 101 hat einen Kathodenemitter 116, einen Anodenemitter 118 sowie Basiszonen 120 und 122. Zwischen dem Kathodenemitter 116 und der Basiszone 120 erstreckt sich ein p-n-Übergang 124, und entsprechend sind zwischen den Basiszonen 120 und 122 ein p-n-Übergang 126 bzw. zwischen der Basiszone 122 und dem Aiodenemitter 118 ein p-n-Übergang 128 angeordnet.

Der als Flächendiode 103 ausgebildete Umgebungsbereich 114 hat eine erste Zone 130, eine zweite Zone 132 sowie einen sich dazwischen erstreckenden p-n-Übergang 134.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen, bildet die erste Zone 13O des Umgebungsbereiches 114 wieder die Fortsetzung der Basiszone 120 des schaltenden Teils 101 in Richtung auf den Umgebungsbereich 114. Dabei ist die erste Zone 130 jedoch mindestens 10% bis 2O% und vorzugsweise von 30% bis 50% dicker als die Basiszone 120. Die Bedeutung dieser Tatsache wird weiter unten dargelegt. Die zweite Zone 132 des Umgebungsbereiches 114 bildet entsprechend eine Fortsetzung der Basiszone 122 des schaltenden Teils 101 in dem Umgebungsbereieh Λ4.

909840/1105

Au 13erdem stellt auch der p-n-Übergang 134 zwischen der ersten Zone 130- und der zweiten Zone 132 des Umgebungsbereiches 114 eine entsprechende Fortsetzung des p-n-Übergangs 126 des schaltenden Teils 101 im Umgebungsbereich 114 dar.

An dem Kathodenemitter 116 und der ersten Zone 130 sowie dem Anodenemitter 118 und der zweiten Zone 132 ist jeweils wiederum ein die beiden angrenzenden Zonen elektrisch überbrückender ohrascher Kontakt 136 bzw. 138 angebracht.

Der p-n-Übergang 126-134 wird in zwei getrennten Schritten hergestellt, um zwei unterschiedliche Lawinen- oder Durchbruchsspannungen zu erhalten. Für den p-n-Übergang 134 des Umgebungsbereiches 114 erfolgt die Diffusion langer und damit mit einer von 10%'bis 50% größeren Tiefe als für den Übergang 126 des mittleren Bereiches 112, obwohl in beiden Fällen die Oberflächenkonzentration des Diffusionsmittels gleich groß ist. Infolgedessen entspricht dem Übergangsbereich 126 des gesamten p-n-Übergangs 126-134 ein höheres elektrisches Feld und somit eine niedrigere Lawinen- oder Durchbruchsspannung als dem Übergangsbereich 134. Beim Anlegen einer entsprechenden Spannung erfährt der Übergang 126 daher den Durchbruch zuerst, so daß es infolge der Lage des Übergangs 126 in dem mittleren, den p-n-p-n-Übergang aufweisenden Bereich 112 des Elementes zuverlässig zu einer Schaltung kommt. Ein anderes Merkmal dieses Aufbaus besteht darin, daß der pnpn-Schaltbereich vollständig von dem p-n-Übergang 134 umgeben ist, der bei einer höheren Spannung durchbricht, so daß auf diese Weise die Zuverlässigkeit des Schaltvorgangs erhöht wird, indem der Übergang an der Oberfläche bei normalem Betrieb elektrisch nur in geringerem Maße beansprucht wird.

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel eines Elementes nach Fig.4 wies der η-leitende Kathodenemitter 16 eine Dicke von etwa 0,0125mn

17 21

und eine Dotierung mit einer Konzentration von 10 bis 10 Trä-

3
gern pro cm auf, während die p-leitende Basiszone 120 eine Dicke

14

von etwa 0 ,0125 mm und eine Dotierungskonzentration von 10 bis

9 0 9 8 4 0/1105

18 3

10 Trägern je cm , die η-leitende Basiszone 122 eine Stärke von etwa 0,175 ram bei einer durchschnittlichen Dotierungskonzentration von 10 bis 10 Trägern je cm und der p-leitende Anodenemitter 118 eine Stärke von etwa 0,03 mm und eine Dotierungskonzentration von etwa 10 bis 10 Trägern je'cm hatte. Die p·?-leitende; erste Zone 130 hatte eine Dicke von etwa 0,03 mm bei einer Dotie-

1*ϊ 18 3

rungskonzentration von 10 bi* 10 Trägern je cm , während die Dicke der η-leitenden zweiten Zone 132 etwa 0,2 mm und die Dotierungskonzentration dieser zweiten Zone 10 bis 10 Träger pro cm betrug. ---..- ^r

Das wesentliche Merkmal des Elementes nach Fig. 4 ist darin zu sehen, daß die Dotierungskonzentration so gewählt ist, daß die Durchbruchsspannung des mittleren Bereiches 112 kleiner als die Durchbruchsspannung des Umgebungsbereiches 114 ist.

Wenn der Anodenemitter 118 und die zweite Zone 132 nicht in der mit Fig. 4 gezeigten Weise durch einen einzigen ohmschen Kontakt überbrückt werden sollen, so kann diese Überbrückung beispielsweise in der mit Fig. 5 wiedergegebenen Form erfolgen. Hier sind ein beispielsweise aus einer Gold-/Borlegierung bestehender erster ohmscher Kontakt 140 an dem Anodenemitter 118 und ein beispielsweise aus einer Gold-/Antiraonlegierung bestehender zweiter ohmscher Kontakt 142 an der zweiten Zone 132 angebracht, und erst die beiden Kontakte 140 und 142 sind dann elektrisch durch eine Molybdänverbindung 144 aneinander angeschlossen. Im übrigen ist der Aufbau des Elementes nach Fig. 5 demjenigen der Fig. 4 gleich.

Es wurden zwei Siliciumelemente mit dem Aufbau der Fig. 4 unter Anwendung bekannter Diffusions- und Maskierungsveife.hren hergestellt. >

Bei dem einen dieser Elemente hatten der η-leitende Bereich. 116 eine Stärke von 0,0125 mm, die p-leitende Zone eine Stärke von .... O,0l75 mm, die η-leitende Zone 122 eine Stärke von O,175 mm und der p-leitende Emitter 118 eine Stärke von 0,025 mm. Der Wider-

9Ü9 8-AJJ /.1,1 o 5 . _:

standswert der α-leitenden Zone 122 betrug 15 Ohm/cm. Dieses Element hatte eine Überschlagsspannung von 700 V.

Bei dem zweiten Element waren dieSchidhidJcken~ und Widerstandswerte jeweils mit denjenigen des ersten Elementes identisch, nur der Widerstandswert der n-leitenden Zone 122 betrug hier 50 Ohm/cm. Dieses Element hat eine Uberschlagsspannung von 1500 V.

Mit Fig. 6 ist ein weiteres, erfindungsgemäß ausgebildetes Schaltelement 200 wiedergegeben, das bei überschreiten einer bestimmten Spannung von einem Sperrzustand mit hohem Widerstand in einen leitenden Zustand mit geringem.Widerstand umschaltet» Das Schaltelement 200 der Fig. 6 wird dabei durch Stromvervielfachung geschaltet, wie sie bei Annäherung der Durchgreifspannung ausgelöst wird.

Das Schalelement 200 weist wieder einen durch 4ie gestrichelten Linien angedeuteten mittleren Bereich 212 auf, an den sich nach außen ein Umgebungs- oder Randbereich 214 anschließt.

Der mittlere Bereich 212 wird von einem schaltenden Teil 201 mit vier Zonen, die an drei Übergangsstellen aneinander angrenzen, gebildet. Der Umgebungsbereich 214 ist als Diode 203 mit zwei in einem Übergangsbereich aneinander angrenzenden Zonen ausgebildet. Die Diode 203 ist dabei entsprechend Fig. 1 parallel zu dem schaltenden Teil 201 geschaltet.

Der Einfachheit halber werden der schaltende Teil 201 als NPNP-Element und die Diode 203 als PN-Element bezeichnet.

Der mittlere, den schaltenden Teil 201 bildende Bereich 212 weist einen Kathodenemitter 216, einen Anodenemitter 218, eine erste Basiszone 220 sowie eine zweite Basiszone 222 auf. Zwischen dem Emitter 216 und der Zone 22ü, den Zonen 220 und 222 sowie der Zone 222 und dem Emitter 218 liegt jeweils ein p-n-Übergang 224, 226 bzw. 228.

909840/1105

Der als Diode 203 ausgebildete Umgebungsbereich 214 weist eine erste Zone 230 sowie eine sich daran über einen p-n-Übergang anschließende zweite Zone 232 auf.

Wie mit Fig. 6 dargestellt, bilden die erste Zone 23O bzw. die zweite Zone 232 jeweils eine Fortsetzung der Basiszone 220 bzw. der Basiszone 222 in dem Umgebungsbereich 214. In beiden Fällen sind die Zonen 230 und 232 jedoch dicker als die Basiszonen 220 bzw. 222.

Wie ferner aus Fig. 6 ersichtlich, stellt der p-n-übergang 234 eine Fortsetzung des p-n-Übergangs 226 des mittleren Bereiches in dem Umgebungsbereich 214 dar.

An der oberen Begrenzungsfläche des Schaltelementes 200 ist ein erster elektrischer Metallkontakt 236 angebracht, der beispielsweise aus Molybdän, Aluminium, Gold, Silber, Tantal oder diese Elemente als Grundstoffe enthaltenden Legierungen besteht. Der Kontakt 236 erstreckt sich über den Anodenemitter 216 und mindestens einen Teil der ersten Zone 230. In entsprechender Weise ist auch an der Unterseite des Elementes 200 ein zweiter elektrischer Metallkontakt 238 angebracht, der aus dem gleichen Werkstoff wie der Kontakt 236 besteht. Dieser Kontakt 238 erstreckt sich über den Kathodenemitter 218 und mindestens über einen Teil der zweiten Zone 232.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolg t das Schalten durch Wahl eines Widerstandswertes und einer Breite für die Gründfläche der Basiszone 222, so daß eine bestimmte Durchgreifspannung festgelegt wird. Diese Durchgreifspannung liegt in allen Fällen erheblich niedriger als die Durchbruchsspannung des Überganges 226-234. So kann die Durchgreifspannung zwei- bis fünfmal oder mehr niedriger als die Durchbruchsspannung sein. Der Widerstandswert der BaEiszone 222 wird bewußt so gewählt, daß die Bildung irgendwelcher Durchbruchsströme vermieden wird. Die Umschaltung findet statt, wenn die dem Übergangsteil 226 zugeordnete und unter der

9 0 9 8 4 Ü/110 5

Einwirkung der Sperrvorspannung vorrückende Sperrzone die n-leitende Basiszone 222 des von dem p-leitenden Emitter 218, der nleitenden Zone 222 und der p-leitenden Zone 220 gebildeten pnp-Transistors unter entsprechender Erhöhung der Verstärkung alpha sehr klein macht. Diese vergrößerte Verstärkung führt dann zu einer wirksamen Vervielfachung des Grund-Leckstroms des Übergangs 226, so daß,gerade bevor die Sperrzone des Übergangs 226 den Übergang 228 erreicht, ein sehr großer Leckstrom entsteht. Dieser große Strom soll dabei möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche des schaltenden Elementes verteilt sein; wenn dieser Strom dann einen kritischen vorgegebenen Wert erreicht, schaltet das Element um.

Der Einfluß der Dicke und des Widerstandswertes der zweiten Basiszone, auf die Eigenschaften des Schaltelementes läßt sich einem Vergleich von zwei gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Siliziuraschalteleraenten entnehmen.

Bei dem ersten Element hatten die Zone 220 eine Dicke von 0,025 mm, die Zone 222 eine Dicke von 0,15 mm und einen Widerstandswert von 200 Ohm/cm, der Emitter 218 eine Dicke von 0,0125 mm und der Emitter 216 eine Dicke von 0,0125 mm. Die Schaltspannung für dieses Element betrug 350 V-.

Bei dem zweiten Element waren alle Zone in der gleichen Weise wie bei dem ersten Element ausgebildet, mit dem einen Unterschied, daß die Zone 222 eine Dicke von 0,175 mm und einen Widerstandswert von lOO Ohm/cm hatte. Die Schaltspannung dieses Elementes betrug 800 V.

Bei einem Element entsprechend Fig. 6 kann die Stärke der Basiszone 222 zwischen 0,0025 bis 0,5 mm und die Dotierungskonzentration von, H
schwanken.

13 19 3

tion von.10 bis 10 Atomen pro cm des Halbleitermaterials

Der wesentliche Gesichtspunkt ist darin zu sehen, daß die Stärke der Baä-szone 222 und deren Widerstandswert sq_; gewählt sind, daß

90984Ü/1 105

die Basis sich bei der gewünschten Schaltspannung im wesentlichen in dem Durchgreifzustand befindet, d.h. die Sperrzone des mittleren Übergangs (Übergang 226) hat sich in erheblichem Maße durch die Basiszone (Zone 222) fortgepflanzt. >

In der folgenden Tabelle sind typische elektrische Werte der beiden Elemente nach der Erfindung zusammengestellt.

Elektrischer Wert

Durchbruch

Durchgriff

Durchlaßstrom (mittl.)	15 A	10 A
Schaltspannung (V«q)	400 - 1400 V	150 - lOOO V
Schaltstrom (Ig₀)	2OO - 1000 mA	2 - 100 mA
Spannungsf alt-D urch- laftrichtung-(Vt,)	1,1 V bei 3O A	1,1 V bei 30 A
Spannungsfall-Sperr richtung-(V^)	1,5 - 2,0 V bei 30 A	1,5 - 2,0 V bei 30 A
Leckstromsperrichtung (150O C bei 60% V₃₀)	1 - 3 mA	1 - 3 mA
Einsclialtzeit-Sperrich- tung-(lOOO A)	500 nsec	500 nsec
Maximale Betriebstem peratur (oc) am Über gang	löO° C	150° C
Maximale Speichertem peratur (°G)	200° C	200° C
di/dt-Wert	80OO A^üsec	8000 A//isec
Maximaler thermischer	O,7	O,7

Widerstand Übergang zum Gehäuse (oc/Watt)

In für die Schaltung hoher Spannungen, beispielsweise lOOO V, bestimmten Schaltelementen kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Empfindlichkeit des Elementes dadurch herabzusetzen, daß in dem -

9Ci;i3-4./7 ff OFi '

selben Halbleiterkörper mehr als ein mittlerer Bereich mit vierschichtigem Schaltaufbau vorgesehen wird.

Fig. 7 zeigt djLe Draufsicht auf ein derart abgewandeltes Schaltelement 300. Dieses Schaltelement hat vier schaltende Teile 302, die jeweils vollständig von einem Diodenaufbau 304 umgeben sind. Die Emitter 306 der einzelnen schaltenden Teile 302 sind mit dem Diodenaufbau 304 durch einen ohmschen Kontakt 308 verbunden, der gleichzeitig auch die schaltenden Teile 302 untereinander verbindet.

Infolge seines di/dt-Verhaltens in Verbindung mit der kurzen Verzögerungszeit und seiner für die Stromführung in Durchlaßrichtung maßgeblichen Eigenschaften erweist sich das erfindungsgemärte
Schaltelement für die Verwendung in Radar-Modulatorschaltungen,
als Ersatz für Gas-Schaltröhren sowie als stoßspannungsfester
Gleichrichter geeignet.

Patentansprüche:

0 9 8 4 0/1105

Claims

Patentansprüche

IJ Halbleiterschaltelement mit einem Gleichrichterdiodenaufbau, der "~" eine erste und eine zweite, zwischen sich einen p-n-Übergang einschließende Halbleiterzone eines ersten und eines zu dem ersten entgegengesetzten zweiten Leitungstyps sowie erste und zweite, in nicht gleichrichtender Verbindung elektrisch an die erste bzw. zweite Zone angeschlossene Kontaktelektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Gleichrichterdiodenauf-

fc bau (103; 203; 304) wenigstens ein weiterer, schaltend ausgebildeter Aufbau (101; 201; 302) mit vier Zonen (16, 20, 22, 18; 116, 120, 122, 118; 216, 220, 222, 218) und drei Übergängen (24, 26, 28; 124, 126,128; 224, 226, 228) geschaltet ist, der bei einer unterhalb der Sperrichtungs-Durchbruchsspannung des Gleichrichterdiodenaufbaus (101; 2Ol; 302) liegenden Spannung von einem Zustand hohen Widerstands in einen Zustand niedrigen Widerstands übergeht, und daß der schaltend ausgebildete Aufbau (101; 201; 302) eine erste Zone (20; 120; 220) des einen ersten Leitungstyps aufweist, die eine integrale Fortsetzung der ersten Zone (30; 130; 230) des Diodenaufbaus bildet; ferner eine zweite Zone (16; 116; 216) des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, die elektrisch mit der ersten Kontaktelektrode (36; 136; 236) verbun-

) den ist und mit einem p-n-Übergang (24; 124; 224) an die erste Zone (16; 116; 216) des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 201; 302) angrenzt; eine dritte Zone (22; 122; 222) des entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, die eine integrale Fortsetzung der zweiten Zone (32; 132; 232) des Gleichrichteraufbaus bildet und mit der ersten Zone (20; 120; 220) des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 201; 302) einen p-n-Übergang (26; 126; 226) als Fortsetzung des p-n-Übergangs (34; 134; 234) des Gleichrichteraufbaus begrenzt; sowie eine vierte Zone (18; 118; 218) des einen Leitungstyps, die elektrisch mit dem zweiten Kontaktelement (38; 138; 238) verbunden ist und mit einem p-n-Übergang (28; 128; 228) an die dritte Zone (22; 122; 222) angrenzt.

909840/1105
2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (3O; 13O; 23O) des Gleichrichteraufbaus (103; 2O3) etwa 10% bis 50% dicker als die daran anschließende erste Zone (20; 12O; 220) des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 201; 302) ist.
3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dotierungskonzentration der dritten Zone des schaltend

13 19 3

ausgebildeten Aufbaus (201) IO bis 10 Atome pro cm beträgt.
4. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Zone (30, 32; 130, 132; 230, 232) des Diodenaufbaus (103; 203) die Zonen des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 201; 302) umgeben. -
5. Schaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper des Schaltelementes als Kontaktplatte (wafer) ausgebildet ist, an dessen Hauptflächen die erste und zweite Kontaktelektrode (36, 38; 136, 138; 236, 238) angeordnet sind und dessen mittlerer Bereich (12; 112; 212) die Zonen des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 201) enthält, während sich in dem Umgebungsbereich (14; 114; 214) die erste und die zweite Zone (30, 32; 130, 132; 230, 232) des die vier Zonen des schaltend ausgebildeten Aufbaus (101; 2Ol; 302) umgebenden Gleichrichterdiodenaufbaus (103; 203; 3O4) befinden.

KN/gb 3

9 0 9 8 4 U '

Leerseite