DE1926459B2 - Stosspannungsfeste halbleiterdiode - Google Patents
Stosspannungsfeste halbleiterdiodeInfo
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Description
scheibe variierenden spezifischen Widerstand ist aus der
DT-AS 12 07 510 bekannt.
Den Halbleiteranordnungen nach den DT-AS 10 90 331 und 12 07 510 sowie nach der CH-PS 4 19 355
ist gemeinsam, daß bei einer inhomogenen Dotierung des Halbleiter-Grundmaterials eine ör.liche Überhitzung
der Halbleiterscheibe bei einem Lawinendurchbruch nicht ohne weiteres zu verhindern ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine stoBspannungsfeste Halbleiterdiode anzugeben, oei der
trotz einer inhomogenen Dotierung des Halbleiter-Grundmaterials bei einem Lawinendurchbruch eine
örtliche Überhitzung der Halbleiterscheibe weitgehend vermieden wird.
Die zur Lösung dieser Aufgabe dienende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der
Elektroden sowie eine gegebenenfalls an sie anschließende hochdotierte Zone eine Aussparung aufweist,
innerhalb welcher der zentrale Bereich I liegt, wobei der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials
des zentralen Bereichs 1 wenigstens angenähert das 1-bis l,03fache seines Minimalwertes im zentralen Bereich
beträgt, und daß die an dieser Aussparung liegende Halbleiterzone, die sich vor Eintreten eines Lawinendurchbruches
außerhalb des Raumladungsgebietes befindet, zwischen dem Rand der Aussparung und dem
Rand des zentralen Bereiches 1 einen Widerstand aufweist, in dem ein durch diesen Bereich fließender
Strom, bei dem noch keine Zerstörung des Halbleiter-Grundmaterials eintritt, einen Spannungsabfall erzeugt,
der gleich ist der Differenz der Durchbruchsspannungen
im äußeren und zentralen Bereich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels eingehend erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aktivteil einer Halbleiterdiode schematisch im Schnitt. Die Dicke des Aktivteils ist
dabei wie üblich übertrieben stark dargestellt. Der Halbleiterdioden-Aktivteil weist eine Halbleiterscheibe
1 aus einkristallinem Silizium auf, bei dessen Herstellung von einem stangenförmigen schwach dotierten Siliziumeinkristall
ausgegangen wird, welcher in der Nähe 4s seiner Achse ein Dotierungsmaximum aufweist. Bei den
Halbleiterscheiben, die von einer solchen Einknstailstange in Schnittebenen senkrecht zur Stangenachse
abgetrennt werden, weist der spezifische Widerstand in einem zentralen Bereich I einen Minimalwert auf. Die so
Begrenzung dieses zentralen Bereiches 1 ist mit dem Radius r angenähert kreiszylinderförmig und dadurch
definiert, daß in ihm der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials das 1- bis l,03fache diese;:
Minimalwertes aufweist.
Die p+-p-n-n + -Struktur der Halbleiterscheibe besteht
aus einer hochdotierten p + -Zone 2 (mehr als 10lb
Akzeptoratome/cid3), einer daran anschließenden schwach dotierten Zone 3 (weniger als 10lb Akzeptoratome/cm3)
vom p-Leitungstyp, die mit einer darauffcl- ho genden schwachdotierten Zone 4 (10u—10lb Donatoratome/cm3)
vom n-Leitungstyp, in welcher das Grundmaterial unverändert erhalten geblieben ist, einen
p-n-Übergang 5 bildet · und schließlich aus einer ringförmigen hochdotierten η+ -Zone 6 (mehr als 1016 (>s
Donaioraiome/em3), deren innerer Rand 7 mit dem
Radius R kreiiförmig und konzentrisch das Gebiet I
minimalen spezifischen Widerstandes des Halbleiter-Grundmaterials umschließt.
Die Halbleiterscheibe 1 ist an ihrer hochdotierten ρ »Zone 2 mit einer Trägerplatte- 8 aus Molybdän und
an der ringförmigen hochdotierten η+ -Zone 6 mit einer
flächenhaften Elektrode 9 versehen und weist eine kegeiförmig abgeschrägte Randoberfläche 10 auf, deren
Basis der Trägerplatte 8 zugewandt ist. Zur Verwendung in einer Halbleiterdiode wird der Halbleiter-Aktivteil
z. B. auf übliche Weise in einem gasdichten Gehäuse kontaktiert und mit Anschlüssen versehen.
Die Wirkungsweise einer mit einem Halbleiter-Aktivteil nach Fig. 1 versehenen Halbleiterdiode ist nun
folgende:
Bei Anlegen einer Spannung in Sperrichtung zwischen der Elektrode 9 und der Trägerplatte 8 bildet
sich knapp vor Eintreten eines Lawinendurchbruches zu beiden Seiten des p-n-Überganges eine Raumladungszone aus,deren Grenzen in der Fig. 1 durch die Linien
11 angedeutet sind.
Als Raumiadungszone ist dabei jenes Gebiet definiert,
in dem die elektrische Feldstärke größer als 1 kV/cm ist. Aus dem Minimum des spezifischen Widerstandes des
Halbleiter-Grundmaterials, also der η-dotierten Zone 4, in der die Dotierung des Grundmaterials nicht
verändert wurde, im Zentrum der Halbleiterscheibe folgt, daß die Dicke der Raumladungszone dort geringer
ist, als in ihren übrigen Bereichen. Wie nun experimentell festgestellt wurde, ist die Spannung Ua bei der
Lawinendurchbruch eintritt, angenähert proportional dem spezifischen Widerstand ρ in der η-dotierten Zone
4, in welcher sich der größte Teil der Raumladungszone befindet. Bei ansteigender Spannung in Sperrichtung
werden also die Bedingungen für das Einsetzen des Lawinendurchbruches zuerst dort erreicht, wo in der
η-dotierten Zone 4 der spezifische Widerstand ρ ein Minimum aufweist. Dabei bleibt, wie die Erfahrung
zeigt, der Durch'uruchsstrom zunächst auf den Bereich I beschränkt, in dem der spezifische Widerstand der
schwachen η-dotierten Zone 4 etwa das 1- bis l,03fache seines Minimalwertes beträgt. Der über den Bereich I
fließende Durchbruchstrom erzeugt in der scheibenförmigen Teilzone 12 der schwach η-dotierten Zone 4, die
sich außerhalb der Raumladungszone befindet, zwischen dem kreiszylindrischen Bereich I mit dem Radius r
und dem mit dem Radius R kreisförmige 1 inneren Rand 7 der hochdotierten p + -Zone bzw. der Elektrode 9 einen
Spannungsabfall AU. Um zu erreichen, daß der Durchbruchsstrom nach seinem Einsetzen im Bereich 1
sich sofort über den ganzen für die Stromleitung vorgesehenen Querschnitt des Halbleiteraktivteils ausbreitet,
muß dieser Spannungsabfall AU-ΔUm bei
einem Durchbruchsstrom im Bereich I, bei dem sicher noch keine Zerstörung des Halbleitermaterials eintritt,
gleich oder größer sein als die genannte Differenz Δ Uo
der Durchbruchsspannungen.
Der Mechanismus der Stromverteilung im Halbleiterelement bei Lawinendurchbruch wird anhand des
Ersatzschemas gemäß F i g. 2 besonders anschaulich. Die Diode 13 mit einer Durchbruchsspannung Ud\
entspricht dem Bereich I des Halbleiteraktivteils. Ein über diese Diode 13 fließender Strom in Höhe eines
bestimmten zulässigen Durchbruchstromes Jn, erzeugt
im Widerstand 14, welcher der Zone 12 des Halbleiter-Aktivteils entspricht, einen Spannungsabfall AUm-Parallel
zu der Serienschaltung, die aus Diode 13 und Widerstand 14 gebildet wird, liegt die Diode la mit einer
Durchbruchsspannung Δ Um, welche den auuerhaib des
Bereiches I liegenden Halbleiter-Aktivteil repräsentiert.
Bei einem Spannungsabfall
=Vm-V
o\
ist die Bedingung für einen Lawinendurchbruch in beiden Dioden 13, 15, d. h. also in allen Bereichen des
Halbleiter-Aktivteils erfüllt.
Zur Bemessung des Radius R, des inneren Randes 7,
der Elektrode 9 führen folgende Überlegungen: Der Widerstand des Bereiches 12 und der Breite dzwischen
dem inneren Rand 7 der hochdotierten η+ -Zone 6 und dem Rand des Bereiches 1 mit dem Radius r isi
proportional einer Größe
. l.R
k = — In — .
d
r
Der gewünschte Widerstand kann also bei vorgege benem r durch Variation von d und R erreicht werden
Untersuchungen haben ergeben, daß für Silizium al: Halbleitermaterial und Aluminium als Akzeptorsub
ίο stanz für die meisten praktischen Fälle die Größe I
innerhalb der Grenzen 40 < k< 1000 cm -' liegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Stoßspannungsfeste Halbleiterdiode mit einer einen p-n-Übergang aufweisenden und beiderseits
mit flächenhaften Elektroden kontaktierte Halbleiterscheibe, welche eine Zone aus Halbleiter-Grundmaterial
aufweist, deren Dicke und Widerstand in senkrecht zum p-n-Übergang verlaufender
Richtung örtlich variabel ist und aus einem zentralen Bereich, in dem das Halbleiter-Grundmaterial einen
minimalen Widerstand aufweist und in dem bei einer ersten Durchbruchsspannung der Lawinendurchbruch
eingeleitet wird, sowie aus einem den zentralen umgebenen äußeren Bereich besteht, is
dessen mittlere Durchbruchsspannung größer als die erste Durchbruchsspannung ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der Elektroden (9) sowie eine gegebenenfalls an sie anschließende hochdotierte Zone (6) eine Aussparung
aufweist, innerhalb welcher der zentrale Bereich (I) liegt, wobei der spezifische Widerstand
des Halbleiter-Grundmaterials des zentralen Bereichs (1) wenigstens angenähert das 1- bis l,03fache
seines Minimalwertes im zentralen Bereich beträgt, und daß die an dieser Aussparung liegende
Halbleiterzone (12), die sich vor Eintreten eines Lawinendurchbruchs außerhalb des Raumladungsgebietes
befindet, zwischen dem Rand der Aussparung und dem Rand des zentralen Bereiches (i) einen _10
Widerstand aufweist, in dem ein durch diesen Bereich fließender Strom, bei dem noch keine
Zerstörung des Halbleiter-Grundmaterials eintritt, einen Spannungsabfall erzeugt, der gleich ist der
Differenz der Durchbruchsspannungen
AUo= Um-Uo1
im äußeren und zentralen Bereich (I).
2. Stoßspannungsfeste Halbleiterdiode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand des Randes (7) der Elektroden-Aussparung von dem Rand des Bereiches (I), in welchem der
Lawinendurchbruch eingeleitet wird, angenähert konstant ist.
3. Stoßspannungsfeste Halbleiterdiode gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl der Rand (7) der Aussparung als auch der Rand des Bereiches (I), in dem der
Lawinendurchbruch eingeleitet wird, mit den Radien Rbzw. rwenigstens angenähert kreisförmig ist.
4. Stoßspannungsfeste Halbleiterdiode gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
diesen Radien R bzw. r und der Dicke d der genannten sich außerhalb des Raumladungsgebietes
befindlichen Zone (12) die Relation
In ■■- = k-d
r
besteht, wobei40<^<
1000 cm-' ist.
60
Die Erfindung betrifft eine stoßspannungsfeste Halbleiterdiode mit einer einen p-n-Übergang aufweisenden
und beiderseits mit flächenhaften Elektroden kontaktierte Halbleiterscheibe, welche eine Zone aus
Halbleiter-Grundmaterial aufweist, deren Dicke und Widerstand in senkrecht zum p-n-Übergang verlaufender
Richtung örtlich variabel ist und aus einem zentralen Bereich, in dem das Halbleiter-Grundmaterial einen
minimalen Widerstand aufweist und in dem bei einer ersten Durchbruchsspannung der Lawinendurchbruch
eingeleitet wird, sowie aus einem den zentralen umgebenen äußeren Bereich besteht, dessen mittlere
Durchbruchsspannung größer als die erste Durchbruchsspannung ist.
Als stoßspannungsfest werden im allgemeinen Halbleiterdioden
bezeichnet, deren zulässige Verlustleistung bei Lawinendurchbruch in Sperrichtung zumindest
angenähert gleich der Verlustleistung in Durchlaßrichtung ist. Dieser theoretische Idealfall wird in der Praxis
aber nicht erreicht. Der Grund für dieses von der Theorie abweichende Verhalten ist darin zu sehen, daß
die Dotierung innerhalb der Kristallstäbe, aus denen die Halbleiterscheiben für solche Dioden hergestellt werden,
nicht konstant ist, sondern jeweils senkrecht zur Zuchtachse des Kristallstabes variiert, wobei im
allgemeinen in der Stabachse ein Dotierungsmaximum eintritt, was einem Minimum des spezifischen Widerstandes
des Halbleitermaterials entspricht.
Diese Innomogenität in der Dotierung, die besonders bei Kristallen größeren Durchmessers (20 mm und
mehr) in Erscheinung tritt, führt dazu, daß sich bei Anlegen einer Spannung in Sperrichtung eine Raumladungszone
einstellt, deren Dicke an den Stellen minimalen spezifischen Widerstandes des. Halbleiter-Grundmaterials
am kleinsten ist, so daß dort die maximal auftretende elektrische Feldstärke am höchsten
wird. An den Stellen höchster elektrischer Feldstärke wird aber der Lawinendurchbruch eingeleitet,
wobei der Durchbruchsstrom, wie man experimentell festgestellt hat, zumindest zu Beginn des Lawinendurchbruches
nur über jenen Bereich der Halbleiterscheibe fließt, in dem der spezifische Widerstand des
Halbleiter-Grundmaterials wenigstens angenähert gleich seinem Minimalwert ist. Dabei kann es bereits bei
einem relativ kleinem Durchbruchsstrom wegen der zumindest kurzzeitig auftretenden relativ hohen Stromdichten
zur Zerstörung des Halbleiterelementes kommen.
Aus der DT-AS 12 08 411 ist eine stoßspannungsfeste
Halbleiteranordnung der vorgenannten Gattung bekannt, bei der im Halbleiter-Grundmaterial im Bereich
des p-n-Überganges eine Vertiefung vorgesehen ist. Hierdurch wird im Halbleiter-Grundmaterial eine Zone
verminderter Durchbruchsspannung gebildet, durch die bei Durchbruch während des Betriebes in Sperrichtung
der Durchbruchsstrom fließt. Bei derartigen Anordnungen wird die Verlagerung des Durchbruchsstroms vom
zentralen Bereich nach außen lediglich durch eine durch aufwendige mechanische Bearbeitung des Grundmaterials
erzielte spezielle Gestaltung des Halbieiter-Grundmaterials erzwungen.
Der DT-AS 10 90 331 ist eine weitere stoßspannungsfeste Halbleiteranordnung mit einer einen p-n-Übergang
aufweisenden Halbleiterscheibe zu entnehmen, bei der der spezifische Widerstand der beiderseits mit
flächenhaften Elektroden kontaktierten Halbleiterscheibe längs der Frontfläche variiert und bei der die
eine ringförmig ausgebildete Elektrode eine Aussparung aufweist.
Ferner ist in der CH-PS 4 19 355 eine stoßspannungsfeste
Halbleiteranordnung mit einer an eine Elektrode anschließenden, eine Aussparung aufweisenden, hochdotierten
Zone beschrieben.
Eint weitere stoßspannungsfeste Halbleiteranordnung mit einerr» längs der Frontfläche der Halbleiter-
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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