DE2038122A1

DE2038122A1 - Halbleitergesteuerte Gleichrichtereinrichtung

Info

Publication number: DE2038122A1
Application number: DE19702038122
Authority: DE
Inventors: Yukio Igarashi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1971-02-18
Also published as: US3644800A; DE2038122C2

Description

Ϊ0ΚΥ0 SHIBAÜRA ELECTRIC CO., MD., Kawasaki-shl, Japan

Halbleitergesteuerte (Reichrlchtereinrlchtung

file Erfindung betrifft eine Halbleitereinriehtung und Insbesondere «ine geettuerte Q-lelohrlehtereinrlcntung äer npnp-Art.

Die übliche Halbleitereinriohtung weist eine Schaltobene oder ein Plättchen (wafer) auf, in der eine erst® Schicht der 12-Art, ein· aweite Schiebt der p-lrt, ein· dritte Schicht der α-Art und eine vierte Schicht der p-Art gjeweils alt Eafhod©n«_s Steuer- und Anodenelektroden versehen elnd_f wobei die Kathoden* und Steuerelektrode!! an einer Seite des Plättohens und die Anodenelektrode auf der entgegengesetsten Seite befestigt sind. bsw. befestigt ist.

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Sie gesteuerte Gleichrichtereinrichtung mit dem obengenannten Aufbau wirft im allgemeinen keine Probleme auf. Liegt jedoch eine Metallplattenschicht der Seite des Plättchens gegenüber und ist die Sathodenelektrode an das negativ zu erdende Metall befestigt, dann stellen sich die folgenden Probleme eint

1.) Da es unmöglich ist, den Eontaktbereich zwischen der Metallplatte und der Kathodenelektrode aufgrund des Vorhandenseins der Steuerelektrode zu erhöhen, kann die im Plattchen erzeugte Wärme mit gutem Wirkungsgrad nicht abgestrahlt werden.

2.) Es 1st notwendig, Isolatoren zwischen der Steuerelektrode und der Metallplatte vorzusehen und den Isolator dünn auszubilden, da eine dünne Kathodenelektroden für niedrigen Wärmewiderstand der Elektrode erforderlich ist, so daß ihr Arbeitewirkungsgrad reduziert wird.

3*) An die der Metallplatte gegenüberliegende Plättchenoberfläche sind die K&thodenelektrode und Steuerelektrode angeschlossen, was zu einem Ktiresehlttl zwischen beiden Elektroden führt.

ErfladuagsgemäS soll aun ©Ine o&lMLeitangesteuerte Einrichtung mit eine« Plättchen der npnp-Yleree&ientart vorgeschlagen werden, %ei der Steuer- und Anodenseblenten feie au einer Seite diese® Plätteaene reichen w&ä ©ime Satnodenschicht ist auf der gegenüberliegenden Seit© vorgesehen; Steuer- und Anoden« elektroden sini mit tor erstgeaaajatea Seit© vesteaäes,» β la© Kataod«nelel£trode mi"fe der !©tstgemammte® S©it@ «ad ®iae Metallplatte liegt dieser letat£enuurte& Seit© ia. elaea mit äer

Kftthodenelektrode verlmnäeaeii

Erflnduagsgemli ist nur die platte gegenllerliegeadea Seit® falls die Eathodenelektrode ©it

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diese Seite des Plättchens ausgebildet sein kann, wodurch die Wärmeabstrahlung durch die Elektrode verbaaeert werden kann. Da die Steuerelektrode und Anodenelektrode auf der gleichen Seite des Plättchens angeordnet sind, let ee nicht notwendig, Isolatoren vorzusehen; auch besteht keine Möglichkeit» daß ein Kurzschluß zwischen den Steuer- und Kathodenelektroden auftritt.

Die Erfindung soll nun anhand der beillegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild für den Zündkreis einea

Kraftfahrzeuges let, unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung einer halbleitergeeteuerten Glelchrichtereinrichtung;

die Fig. Zk ble 2E sind Querschnitte und zeigen aufeinanderfolgende Heretellungsstufen für eine halbleitergeeteuerte Gleichrienterelnrlchtung nach einer luefUhrungsfom der Erfindung wobei Fig. 2E die fertige Einrichtung darstellt j

Flg. 5 1st ein Querschnitt durch eine halbleitergeeteuerti Oleichrichtereinrichtung nach einer Aueführungefora der Erfindung;

Fig. 4 1st ein Querschnitt durch eine halbleitergesteuerte

Oleichrichtereinrichtung nach einer weiteren Ausführungaforn der Erfindung und

Fig. 5 let ein Querschnitt durch eine halbleitergeiteuerte

Olelohrichtereinrichtung nach einer weiteren Ausfehrungsform.

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Zum leichteren Verständnis soll die Erfindung zunächst mit Bezug auf Flg. 1 anhand des Zündkreises eines Kraftfahrzeuges beschrieben werden, um einen Anwendungsfall einer halbleitergeeteuerten Gleichrichter einrichtung zu erläutern, bei der eine mit der Kathodenelektrode verbundene Metallplatte geerdet ist.

In der Sekundärwindung eines Transformators T nach Flg. 1 wird eine Spannung von etwa 400 "Volt durch eine 12V-Gleichspanmingsquelle S und einen Wechselrichter I erzeugt, der zwischen dieser Quelle S und dem Transformator T angeordnet ist. Wechselstrom vom Tracformator τ wird umgeformt in Gleichstrom durch eine Gleichrichterbrttcke R₉ welche eine Kapazität C in einem geschlossenen, diesen Kreis R aufweisenden Kreis lädt.

Der resultierende Ladestrom der Kapazität C wird dann an die Anode einer ailiziumgesteuerten Gleichrichtereinrichtung (SCR) gegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird ein bestimmtes Eingangssignal an die Steuerelektrode des SCR zu dessen Zünden gelegt.

Das Ergebnis ist, daß ein großer Strom durch eine erst® Induktionsspule I₁ und somit ein noch größerer Strom durch eine zweite Induktionsspule Lg fließt, welche magnetisch mit der ersten Spule L^ verbunden 1st, um eine Zündkerze P zu zünden( die im wesentlichen mit einer Spannung von etwa 20K? beaufschlagt ist).

Im obengenannten Zündkreis wird die Kathode äiasee SCR gewöhnlich geerdtt, Indem die Kathodenelektrode mit dem Chassis eines Kraftfahrzeugs über eine Metallplatte verbunden wird« Dies darum, damit die Ano-deneeltt der Einrichtung dta? Korrosion ausgesetzt ist, eo daß, wird die Erdung durchgeführt, wean die Kathode der Einrichtung mit der positiven Saite und die Anode mit dem Chassis eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, dan Chassis nach der Wahrscheinlichkeit korrodieren wird.

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Die obengenannte halbleitergesteuerte öleiehrichtereinrichtung hat einen weiten Anwendungsbereich, beispielsweise innerhalb des Beleuchtungskreises oder des Regelkreises eines Kraftfahrzeugs*

Mit Beaug auf die Fig. 2A bis 2E soll nun eine halbleltergeeteu« erte Gleichrichtereinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung erläutert werden«

Vorgesehen ist ein Siliziumplättehen 10 der η-Art mit eine« spezifischen Widerstand von 15 bis 25 Ohin-cm und einer Dicke . von 170 !aileron. Im Plättchen 10 wird ein ffetieusterbereion 11 der p»Art auegebildet, indem Selektivbor in dieses Plättchen von beiden Seiten (Pig* 2A) diffundieren gelassen wird. Die Formation kann erreicht werden, wenn die Diffusion 140 Stunden lang bei einer Temperatur von 125O⁰O durchgeführt wird.

Im Plättchen werden Bereiche der p-Art 12 und 13 ausgebildet, indem Bohr hinein 25 Stunden lang bei einer (Temperatur von 1250⁰C diffundieren gelassen wird.

In diesem PaIl wird die Diffusion von der Oberseite des Plättchens durchgeführt unter Verwendung einer geeigneten Maske, so daß p-artige Inselbereiche 12 in einer Schicht der η-Art gebildet werden, während die Diffusion von der Unterseite des Plättchens durchgeführt wird, derart, daß eine Schicht der p-Art erzeugt wird, die sich über diese gesamte Unterseite arstreokt (Pig. 2B).

Ss wird eine Schicht 14 der η-Art in dieser Schicht dexjp-Art 15 gebildet, indem Phosphor von der Unterseite des Plättchens 10 etwa 1 bis 3 Stunden lang bei 1250° 0 diffundieren gelassen so daß die gesamte Unterseite (Fig.20) bedeckt wird.

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Nach dem üblichen Verfahren tinter Vervendung von Wolfram und Aluminium wird eine Kathodenelektrode 15 auf der Schicht der η-Art auegebildet, eine Steuerelektrode 16 auf de« Netsmusterbereich 11 der p-Art und eine Anodenelektrode im Inselbereich 12 der p-Art (Pig. 2B)₄ Bas Plättchen 10 ist längs der Unterteilungelinien des Netssmusterbereiches 11, um ein Halbleiterelement 18 zu erhalten, würfelförmig aufgeteilt.

Bie Unterseite des Elementes 18 oder die lathodenelektrode ist an eine Metallplatte/mit gutes Strahlimgs^irkungsgrad durch eine Legierungsplatte 19 &us Wolfram und Molybdän gelötet· Sur Fertigstellung der Halbleitsreiariehtung werden Zuführungdrähte sur Steuerelektrode 16 u&ä Asod@n®l©ktrode 17 angebracht, vobei erste an der Obers®It® ä®s Elementeβ befestigt sind. Bie Einrichtung wiri vorssugeweis® benutzt, indem die Metallplatte 20 an dem g®®pä®ten Chassis 21 des Kraftfahrzeuges angeschlossen let«

Bei der obengenannten halbleitergdetsuertefi §lei©hriehteyeinrichtung ist die KathoienelektreSe filter ä@r Unterseite des Halbleitarplättcfeeas gelagert u&& as die Metftliplatte angebracht, wodmreli iie richttmg ÄnBewirksam dmrch diss©

absuetrahliii in &®r Lag® ist

zwisclien der Steuerelektred® und der Metallplatte sehen, moh die Mßgliöhkeit eines Sii^eEchlusses Steuerelektrode und latfeeaeaeltktrei® ist nicht wo-durefc. man einen gutea Jlr^eitsifirtaisgegE-afi erhält

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Ee sollen nun genauer andere AuefUhrungeforaen der Erfindung alt Bezug auf die Figuren 5 bis 5 beschrieben werden. In diesen Aueführungefortnen beeelchnen die glelohen Bezugs β eichen gleicht Teile. Et Bollen jedoch nur die Hauptteile beschrieben werden.

Nach Flg. 3 1st die erflndungsgeatifie Einrichtung von planerer Bauart, bei der die freiliegenden Teile der p-n-übergtLnge alt einem Isolierendem FlIa, beispielsweise einen Silisluadloxydfllm übersogen sind. Der Isolierende Film 22 überdeckt die Oberselt· des Plättchens 10 bis auf die Teile dieses Plüttohtna, an denen die Steuerelektrode 16 und die Anodenelektrodt 17 ausgebildet Bind und ebenfalls die Unterseite des Flittchens - ausgenommen den Teil, wo die Kathodenelektrode 1$ angebracht 1st. In diesem Fall ist die Kathodenschicht 14 nicht über die gesamte Unterseite des Plättchens auegebildet und bis zua Umfangetβ11 der Unterseite reicht die Steuerechicht 13 der p-Art.

Bei der Einrichtung nach der ersten Aueführungeform trat die Möglichkeit auf, daS_r war das Halbleiterelement 18 an die Metallplatte 20 gelötet, der Lötmlttelübersehuß herausquoll und sich an den Kathodenelektroden-Steuerelektroden-Übergang festsetzte. Des Ergdnla war ein Kurischluß hieriwischen. Nach der Auaführungsform der Fig. 3 Jedoch 1st der Torteil darin iu sehen, daß solch eine Möglichkeit des Kursschlusses völlig ausgeschlossen ist.

Sine Einrichtung entsprechend Fig. 4 ist ebenfalle so aufgebaut, daß sie so ausgelegt ist, daS «in Kuruechlua «wieoh·η den Steuerelektroden- und Kathodenelektrod*nschlchten vemieden wird. Dl· Kathodenschicht 14 dar Einrichtunghat einen naoh oben verlaufenden Umfangeteil, wodurch ein großer Raum «wischen der Metallplatte 20 und dem Kathodenelelctroden-Steuerelektroden-Übergang möglich wird.

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Wie In Fig. 5 dargestellt braucht der fell der Steuerelektroden« schicht 11 der bis über das Element 18 sich erhebt, nicht notwendigerweise den n-Bereich 10 und den Anodenbereich 12 su umgeben, braucht sich vielmehr nur auf einer Seite der Einrichtung nach oben au erstrecken

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch auf verschiedene Arten von halbleitergesteuerten GHeioh« richtereinrichtungen Anwendung finden, beispielsweise auf Bauarten mit zentraler Steuerelektrode oder Bauarten vom FI-cut-Typ.

Patentansprüche

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Claims

- 9 -Patentansprüche

Halbleitergesteuerte Qleichrichtereinriohtung mit eine« Halbleiterkörper mit einem Anodenbereich der p-Art, einer Schicht der η-Art in der Nähe des Anodenbereiehee, «inen Steuerbereich der p-Art angrenzend an die Sohicht der η-Art und einen Kathodenbereich der η-Art angrenzend an den Steuerbereich, wobei der Körper eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zur ersten aufweist und wobei Steuerelektrode, Anodenelektrode und Kathodenelektrode auf diesen Steuer- Anoden- und Kathodenbereichen jeweils ausgebildet sind und eine Metallplatte auf dieser Kathoden-elektrode gelagert oder angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die SteueriLektroden- und Anodenbereiche bis zur ersten Oberfläche sich erstrecken, auf der die Steuer- und Anodenelektroden angeordnet sind und dafi dieser Kathodenbereich bis zur zweiten Oberfläche sich erstreckt, auf der die Kathodenelektrode angeordnet ist und gegen die Metallplatte weist.
2. Ralbleitergesteuerte Gleichrichtereinrichtung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad der Eathodenbereich über der zweiten Oberfläche dieses Körpers angeordnet 1st und die Kathodenelektrode auf der gesagten Unterseite des Kathodenberelohes angebracht 1st.
3. Balbleltergesteuerte ulelohrichtereinrichtung naoh Anspruch 1, daduroh gelmnzelebnet, daß auf dieser ersten Oberfläche ein erster Isolierender PiIa bis auf die Bereich« für dl· Steuerelektroden und Anodenelektroden angebracht ist und daß auf dieer zweiten Oberfläch· ein zweiter isolierender Fil« bis auf den Bereich der Kathodanelektrod« angebracht ist» bis zu den der Steuerelektrodenbereioh nah· des tJtefangs-

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teils dieses Körpers eloh erstreckt.
4. Halbleitergesteuerte eieichrlchtereinriohtung naoh Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kathodenbereich gegen die erste Oberfläche nahe den Umfangeteil dieses Körpers vorsteht.
5. Halbleitergesteuerte Gleichrichtereinrichtung ait einem Halbleiterkörper mit einem Anodenbereioh der p-Art, einer Schicht der η-Art in der Nähe des Anodenbereiche·, einem eteuerelektrodenbereich derfp-Art in der N&he der Schicht der η-Art und einem Kathodenbereich der η-Art in der Nähe des SteuesiLektrodenberelohes, wobei dieser Körper eine erste Oberfläche aufweist, bis au der diese Anodenelektroden-- und Steuerelektrodenbereiche sich erstrecken und eine zweite Oberfläche auf der anderen Seite wie al® erste Oberfläche besitzt, bis ZM der der Kathodenbereioh. sieh erstreckt, wobei Steuerelektrode, Anodenelektrode und Kathodenelektrode auf diesem Steuerelektroden-, Anoden« und Kathodenbereichea jeweils angebracht sind, dadurch gekenoaeioluiet, dad diese Steuer- und Anodenelektroden auf dies« ermtra Oberfläche dieses Körpers und diese swelte Kathod©nelektroAe auf der zweiten Oberfläch· angebracht sind? flml eine Metallplatte auf dieser Kathodenelektrode angeordnet ist uoi der »weiten Oberfläche gegenüberliegtι und daS ®in Oheseie mit dieser Metallplatte verbunden und negativ geerdet ist.

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