DE2041727A1 - Mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung - Google Patents

Mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung

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DE2041727A1
DE2041727A1 DE19702041727 DE2041727A DE2041727A1 DE 2041727 A1 DE2041727 A1 DE 2041727A1 DE 19702041727 DE19702041727 DE 19702041727 DE 2041727 A DE2041727 A DE 2041727A DE 2041727 A1 DE2041727 A1 DE 2041727A1
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Westinghouse Electric Corp
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Description

DlPL.-lNG. KLAUS NEUBECKER 2041727
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9
Düsseldorf, 20. August 1970
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Mittels einer Gate-Elektrode steuerbare
Schalteinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Stromstärken,
Es sind mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtungen bekannt, die zum Abschalten von Strömen von 50 A oder mehr vorgesehen sind und die aus mehreren Kathoden-Bereichen bestehen, von denen jeder von einem Gate-Bereich umgeben ist. Eine solche Schalteinrichtung sollte theoretisch Ströme von 50 A oder mehr abschalten können. Bei Untersuchungen hat sich jedoch herausgestellt, daß der Strom sich, wenn ein Abschaltimpuls zum Abschalten der Schalteinrichtung auf diese gegeben wird, während der Abschaltzeit nicht zwangsläufig gleichmäßig verteilt, obwohl alle Kathodenbereiche während des normalen Betriebes an der Führung des Durchlaßstromes teilnehmen.
Diese Erscheinung ist einer Erscheinung analog, wie sie bei einem Satz von mechanisch parallel geschalteten Schalteinrichtungen auftritt, die auf eine einen konstanten Strom führende Last arbeiten. Wenn der induktive und/oder ohmsche Widerstand der einzelnen Schaltzweige so niedrig ist, daß sich der Strom in einer kürzeren Zelt auf die geänderten Schaltverhältnisse einstellen kann als zum öffnen aller Schalteinrichtungen benötigt wird, muß der zu-
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Telefon (0211) 320868 Ttltgrimmt Cuatopat
_2_ 20A1727
letzt noch geschlossene Schalter den gesaraten Strom führen. Wenn der induktive und/oder ohmsche Widerstand in jedem der Schaltzweige ausreichend groß ist, neigt der Strom mehr dazu, sich gleichmäßig attf die einzelnen Teil-Schalteinrichtungon zu verteilen, je nach der Größe der Impedanzen und/oder im Verhältnis zu der Größe der Last.
Bei den bekannten, mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtungen für hohe Ströme wurden bisher innnerhalb dieser Schalteinrichtungen noch keine Mittel für eine bestimmte, im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Abschaltstromes auf die einzelnen Käthodenbereiche vorgesehen. Die im Handel erhältlichen Schalteinrichtungen haben nicht einmal mehrere Kathoden und sind deshalb auf die Abschaltleistung einer einzigen Kathode begrenzt, d. h. auf eine für diesen Typ angegebene Abschaltleistung von etwa 10 A Scheitelwert, maximal 30 A für einen sorgfältig bemessenen Schaltkreis« Um eine Schalteinrichtung für einen höheren Strom zu erhalten, sind mehrere Kathoden erforderlich. Wenn hierbei einer der Kathodenbereiche vollständig vor allen anderen Kathodenbereichen abschaltet, kann die Umverteilung des Stromes auf die anderen Kathodenbereiche nur über die zur Verfügung stehende Geschwindigkeit des Stromanstieges in den anderen Kathodenbereichen verhindert werden, d. h. die Geschwindigkeit, mit der zusätzliche Träger in die Kathodenbereiche hineingebracht werden können oder mit der die Größe des leitenden Kathodenbereiches bei Sperrung vergrößert werden kann. Viele mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtungen für hohe Ströme fallen aus, weil zu viele Kathodenbereiche eher vollständig abschalten als die übrigen und dadurch einen Anstieg des Stroms durch den letzten noch im Ein-Zustand befindlichen Kathodenbereich verursachen. Hierbei wird die Fähigkeit dieses Kathodenbereiches zur Stromführung überschritten, so daß der entsprechende Kathodenbereich ausbrennt und dadurch die mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Ströme zerstört wird.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung einer mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtung für hohe Ströme, die Ströme über 50 A sicher abschalten kann.
„ Ä , „ _ Λ n BAD ORIGINAL
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Ströme, mit einer Halbleiterscheibe, die mehrere erste Bereiche eines Leitungstyps, die sich unter Bildung von pn-Übergängen von einer der Begrenzungsflächen der Halbleiterscheibe aus zu einem zweiten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps hin erstrecken, einen mit dem zweiten Bereich einen pn-übergang bildenden dritten Bereich des erstgenannten Leitungstyps sowie einen mit dem dritten Bereich einen pn-übergang bildenden vierten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, der sich von der gegenüberliegenden Hauptfläche der Halbleiterscheibe zu dem dritten Bereich hin erstreckt, mit einer an der einen Hauptfläche der Halbleiterscheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit demfersten bzw. zweiten Bereich angeordneten ersten und zweiten Elektrode, sowie mit einer an der gegenüberliegenden Ilauptfläche der Ifo Ib* le it er scheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit dem vierten Bereich stehenden dritten Elektrode, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Mehrzahl elektrisch angeschlossener, mit den ersten Bereichen in nicht gleichrichtendem Kontakt stehender Elementarelektroden aufweist, von denen jede jeweils nur mit einem Teil des ersten Bereiches in Verbindung steht, während der restliche, von der Kontaktbildung freie Teil eines jeden ersten Bereiches eine zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung bei Sperrung der Schalteinrichtung geeignete integrale Widerstandsschicht bildet.
Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand von Ausftihrungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Teil-Draufsicht auf eine mittels einer
Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung nach der Erfindung;
Fig. IA in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus
Fig. 1;
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Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1 längs der Linie
H-II;
Fig. 3 und 4 weitere Draufsichten auf Schalteinrichtungen
ähnlich Fig. 1, jedoch entsprechend etwas abgewandelten Ausführungsgormen der Erfindung;
Fig. 3A und 4A in vergrößertem Maßstab Ausschnitte ähnlich
Fig. IA; und
Fig. 5, 6 und 7 Querschnitte durch weitere Ausführungsformen von
Schalteinrichtungen nach der Erfindung.
Mit Fig. 1 ist die Draufsicht auf den Aufbau einer Kathode einer mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtung dargestellt, die ein allgemein mit 10 bezeichnetes Halbleiterelement aufweist. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat das Halbleiterelement 10 einen Körper aus Halbleitermaterial mit mehreren im Abstand voneinander angeordneten ersten Emitter- oder Kathodenbereichen 12, einem ersten Basis- oder Gate-Bereich 14, einem zweiten Bereich 26, einem zweiten Emitter-Bereich 28 und einer oberen und einer unteren Begrenzungsfläche 40 und 42. pn-Übergänge 30, 32 und 34 liegen jeweils zwischen zwei Bereichen 12 und 14, 14 und 26 und und 28 entgegengesetzten Leitungstyps. Das Halbleiterelement 10 kann einen pnpn-Aufbau oder einen npnp-Aufbau haben. Wie in Fig. und 2 dargestellt, ist das Halbleiterelement 10 als Planaranordnung ausgebildet,bei der die Oberseiten der einzelnen Kathodenbereiche 12 und des Gate-Bereiches 14 die Fläche 40 bilden. Jeder Kathodenbereich 12 ist von einem Teil des Gate-Bereiches 14 vollständig umgeben. Die mechanische Bearbeitung ist nicht im einzelnen veranschaulicht, wie etwa das Abfasen der Halbleiterscheibe und das Beschichten der Umfangskante des Halbleiterelementes 10, da eine solche Bearbeitung bekannt und für die Erfindung ohne Bedeutung ist.
Ein erster, aus einer Schicht von elektrisch leitfähigem Metall wie zum Beispiel Aluminium, Gold, Silber o. dgl. gebildeter ohm-
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scher Kontakt 16 ist mit einem Teil des Kathodenbereiches 12 elektrisch leitend verbunden. Der Kontakt 16 bedeckt jeweils nur zwei Drittel der Fläche eines jeden Kathodenbereiches 12. Der übrige Teil desselben besteht aus einer integralen Widerstandsschicht 18, Ein zweiter elektrischer Kontakt oder Gate-Kontakt besteht aus einem elektrisch leitenden Metall wie Aluminium, Gold, Silber und dergleichen und ist elektrisch leitend mit einem Teil des Gatebereiches 14 verbunden. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, hat die Schalteinrichtung eine mittig angeordnete Gate-Elektrode 22, die in der Mitte des zweiten elektrischen Gate-Kontaltes 20 mit diesem in Verbindung steht. Der Kathodenbereich und der Gate-Bereich 14 stellen Bereiche entgegengesetzten Leitungstyps dar, und die entsprechenden elektrischen Kontakte 16 und 20 sind durch einen zwischen ihnen gebildeten Isolierbereich 24 elektrisch voneinander isoliert.
Obwohl jeder der zu einem Kathodenbereich 12 führenden Kontakte so dargestellt ist, daß er näher als der Widerstandsbereich 18an der Gate-Elektrode 22 liegt, ist eine solche Anordnung auch in umgekehrter Weise anwendbar.
Eine andere Möglichkeit für den Aufbau des Kathodenbereiches 12 besteht darin, die nicht metallisierten Gebiete des Kathodenbereiches 12 so abwechseln zu lassen, daß zuerst ein Kathodenbereich 12 mit seinem unmetallischen Gebiet möglichst weit von der Gate-Elektrode 22 entfernt ist, während der nächstfolgende Kathodenbereich 12 mit seinem Unmetallischen oder Widerstandsgebiet in möglichst großer Nähe der Gate-Elektrode 22 liegt. Ferner kann der Kontakt 16 aus mehreren, im Abstand voneinander angeordneten Gebieten bestehen, wobei die zwischen diesen befindlichen unmetallischen Gebiete in jedem Kathodenbereich 12 mehrere Widerstandsbereiche bilden. Es gibt jedoch verschiedene Gründe, die Kathodenbereiche 12 vorzugsweise in der dargestellten Art auszurichten. Die Widerstandsbereiche 18 der Kathodenbereiche 12 sollten möglichst in demjenigen Teil des Halbleiterelementes 10 liegen, der sich am wenigsten erwärmt. Wie aus der Zeichnung
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ersichtlich, liegt die Gate-Elektrode 22 für den Gate-Bereich 14 in der Mitte des Gate-Kontaktes 20, und die stärkste Erwärmung des Halbleiterelementes 10 tritt an dieser Stelle auf, an der der Gate-Strom in den mittleren Teil des Gate-Bereiches 14 fließt und sich in Richtung auf den äußeren Umfang des Halbleiterelementes 10, an dem die Dichte des Gate-Stromes geringer ist, in radialer Richtung fächerartig ausbreitet. Da die elektrischen Eigenschaften des Widerstandsbereiches 18 durch die innerhalb des Halbleiterelementes 10 entstehende Wärmeenergie in den äußeren Umfangsgebieten am wenigsten beeinflußt werden, sind die integralen Widerstandsschichten 18 vorzugsweise in der dargestellten Weise angeordnet .
Darüber hinaus bieten die äußeren Umfangsgebiete des Halbleiterelementes 10 eine größere Fläche für die Geometrie der Kathode und für eine Verteilung mehrerer Kathoden. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind kleinere Kathodenbereiche 121InXt ihren Kontakten 16f zwischen größeren Kathodenbereichen 12 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine Stromführung des Halbleiterelementes 10 in einem Maß, wie es bei einem angemessenen Abstand zwischen benachbarten Kathodenbereichen 12 angebracht ist, um einen Verlust an Gate-Steuerwirkung zu vermeiden.
Die integrale Widerstandsschicht 13 des Kathodenbereiches 12 ist das letzte Gebiet, durch das der Strom bei Sperrung des Halbleiterelementes 10 fließt. Deshalb sollte dieser Stromfluß an einer Stelle auftreten, die möglichst weit von der zu dem Gate-Kontakt 20 des Gate-Bereiches 14 führenden Gate-Elektrode 22 entfernt ist. Da der zum Gate-Kontakt 20 führende elektrische Anschluß in der Mitte liegt, ist das Widerstandsgebiet 18 demzufolge möglichst nahe am äußeren Umfang des Halbleiterelementes IC vorgesehen.
Der Kathodenbereich 12 kann zusammen mit der Winderstandsschicht 18 den in Fig. 1 dargestellten gleichförmigen Aufbau haben,bei dem die Breite des Kathodenbereiches 12 im wesentliehen konstant ist, während der an den Enden des Kathodenbereiches .12 vorhandene
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Abrundungsradius der halben Breite des Kathodenbereiches 12 entspricht. Der erste elektrische Kontakt 16 sollte sich jedoch nicht über mehr als zwei Drittel der gesamten Länge des Kathodenbereiches 12 erstrecken.
Eine bessere Flächenausnutzung läßt sich erzielen, wenn das Widerstandsgebiet 18 einen effektiven Durchmesser hat, der größer als die Breite desjenigen Tei*les des Kathodenbereiches 12 ist, mit dem der Kontakt 16 verbunden ist. Der gesamte durch die Widerstandsschicht 18 fließende Strom sollte veranlaßt werden, durch einen weiter eingegrenzten und daher einen höheren Widerstand aufweisenden Bereich wie neben dem Gebiet zu fließen, in dem der Strom entsprechend Fig. 1 in den unterhalb des Kontaktes 16 liegenden Teil des Kathodenbereiches 12 eintritt. Eine bevorzugte geometrische Ausgestaltung des Kathodenbereiches 12 ist in Fig. dargestellt, eine weitere in Fig. 4. Der Flächenbereich der Widerstandsschicht 18 sollte einen Radius haben, der mindestens das 1,5-fache der halben Breite des übrigen Teiles des Kathodenbereiches 12 beträgt.
Eine andere Ausführungsform des Halbleiterelementes ist in Fig. dargestellt, wo ein Halbleiterelement 110 mit Mesa-Aufbau in Verbindung mit einer mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtung eingesetzt wird. Bei einer mitteliis einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtung mit einem npnp-Aufbau hat das Halbleiterelement 110 η-leitende Bereiche 112 und 126 und p-leitende Bereiche 114 und 128. Zwischen den Bereichen 112 und 114, 114 und 126 und 126 und 128 liegen jeweils pn-Übergänge 130, und 134. Kontakte 116 und ein Gate-Kontakt 120 bilden die ohmschen Anschlüsse zu den Bereichen 114 bzw. 112. Der Gate-Kontakt 120 hat eine Gate-Elektrode 122. Das Halbleiterelement 110 ist dem Halbleiterelement 10 genau gleich und hat dieselbe elektrische Funktionsweise, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß die Bereiche 112 nach oben über die Fläche 140 und den Bereich 114 überstehen.
Die Arbeitsweise der Schalteinrichtung nach der Erfindung ist
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folgende: Wenn bei normalem Betrieb des Halbleiterelementes 10 an die einzelnen Kontakte 16 der Emitterbereiche 12 eine positive oder Durchlaßspannung angelegt wird, fließt der Strom bei Leitung weitgehend unterhalb der Kontakte 16 der einzelnen Kathodenbereiche 12. Nur ein geringer Stromanteil breitet sich vom Kontakt 16 aus in radialer Richtung durch die Widerstandsschicht des Kathodenbrelches 12 bis zum Widerstandsbereich 18 aus. Schaltungstechnisch gesehen fließt der Strom vom Kontakt 16 aus durch das Halbleiterelement 10 nach unten, wie das durch die mit ausgezogenen Linien gezeichneten Pfeile 36 dargestellt ist, so daß die integrale Widerstandsschicht 18 des Kathodenbereiches 12 elektrisch gesehen gar nicht vorhanden zu sein scheint.
Wenn jedoch beim Anlegen einer negativen oder Sperr-Gatespannung an den Kontakt 20 des Gate-Bereiches 14 die Sperrung der Schalteinrichtung einsetzt, so werden durch den Gate-Kontakt 20 aus dem der Gate-Elektrode 22 am nächsten liegenden Teil des Kathodenbereiches 12 Überschußträger abgezogen. Im Widerstandsbereich 18 sind auch dann noch überschüssige Träger vorhanden, wenn der Gate-Bereich 14 alle Überschußträger aus dem metallisierten Bereich der Kontakte 16 der Hauptkathode abgezogen hat. Der von der Last kommende Strom findet einen abgeAvandelten Strompfad vor. Dieser Pfad setzt dem Strom einen Widerstand entgegen und leitet den letzten im Halbleiterelement 10 fließende Strom durch die Widerstandsschicht des integralen Widerstandsbereiches 18, nämlich den nicht metallisierten Teil des Kathodenbereiches 12, sowie durch den übrigen Teil des Kathodenbereiches 12 unterhalb des Kontaktes 18, wie mit den gestrichelten Pfeilen 38 in den Fig. 2 und 5 angedeutet. Der Stromfluß verschiebt sich daher allmählich von dem direkt unterhalb des Kontaktes 16 liegendeil Gebiet zu einer durch die integrale Widerstandsschicht 18 führenden Bahn. Dieser all^r mähliche Stromübergang macht es möglich, den Strom durch die Schalteinrichtung bei Sperrung gleichmäßig über den gesamten Kathodenbereich 12 zu verteilen. Die Folge hiervon ist, daß alle Kathodenbereiche 12 bei Sperrung gleichmäßig strombelastet sind und daß daher alle Kathodenbereiche 12 im wesentlichen zur selben Zeit abschalten.
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Auch wenn einer der Kathodenbereiche 12 noch Strom führt, wirkt die integrale Widerstandsschicht 18 in der Kathodenleitung noch als Widerstand. Die durch den Widerstandsbereich 18 eines jeden Kathodenbereiches 12 allmählich herbeigeführte Verringerung des Stromes setzt die Größe des durch das Halbleiterelement 10 fließenden Laststromes herab, so daß es zu keinem Ausbrennen mehr kommen kann, durch das das Halbleiterelement 10 zerstört wird, wie oft bei bekannten gleichartigen Schalteinrichtungen geschehen. Infolgedessen läßt sich eine nahezu vollständige Ausnutzung der Strombelastbarkeit einer mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schalteinrichtung, wie sie das Halbleiterelement 10 verkörpert, erreichen.
Der integrale Widerstandsbereich 18 ist im Sperrzustand der steuerbaren Schalteinrichtung bzw. des Halbleiterelementes 10 wirksam. Dagegen bleibt der Widerstandsbereich 18 beim Anliegen einer positiven Durchlaßspannung am Kathodenbereich 12 oder bei normalem Betrieb praktisch unwirksam.
In den Fig. 6 und 7 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Kathodenbereiche 12 des Halbleiterelementes 10 dargestellt, um das Vorhandensein einer Widerstandsbahn für den elektrischen Strom beim Abschalten des Halbleiterelementes 10 sicherzustellen. Aus dem Kathodenbereich 12 wird Material entfernt, so daß ein nach unten eingezogener Bereich 40 entsteht, der den letzten im Halbleiterelement 10 fließenden Strom durch einen unterhalb des aisjjesparten Bereiches 40 liegenden Teil des Kathodenbereiches 12 fließen läßt, der einen höheren Widerstand hat.
Bei allen AusfUhrungsformen kann der elektrische Kontakt zu dem Kathodenbereich 12 und dem Gate-Bereich 14 entweder durch das feste Anschließen von Le it ungen oder Elektroden - etwa durch Löten - an die Kontakte 16 und 20 oder durch mehrfach andrückende elektrische Kontaktanordnungen, wie sie in durch Druckverbindung hergestellten elektrischen Schaltelementen Verwendung finden, gebildet sein. Das Halbleiterelement 10 oderllO ist innerhalb eines
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elektrischen Schaltelementes hermetisch abgedichtet. Die Bereiche 28 und 128 des Halbleiterelementes 10 bzw. 11O werden durch einen ohmschen Lötanschluß mit einer Trägerelektrode verbunden, die ihrerseits von einem thermisch und elektrisch leitenden Träger des elektrischen Schaltelementes getragen wird. Die Kathoden- und Gatebereiche stehen außerhalb des Schaltelementes etwa über gesonderte elektrische Leitungen mit elektrischen Energiequellen in Verbindung, wobei die Leitungen von entsprechenden hermetisch abgedichteten elektrischen Anschlußklemmen des Schaltelementes ausgehen. Für ein durch Druckverbindung hergestelltes elektrisches Schaltelement ist der in Fig. 5 dargestellte Mesa-Aufbau besonders geeignet, und die Gate-Elektrode wird durch zumindest einen Teil des Kathodenbereiches, jedoch von diesem elektrisch isoliert, hindurchgeführt. Die folgenden Ausführungen dienen zur Veranschaulichung der Lehre der vorliegenden Erfindung:
Zwei Silizium-Halbleiterscheiben mit zwei sich gegenüberliegenden größeren Flächen wurden auf Parallelität geläppt und geätzt. Die Halbleiterscheiben waren jeweils η-leitend und hatten einen Durchmesser von ca. 2,3 cm, eine Stärke von ca. 0,24 mm sowie einen spezifischen Widerstand von 30 Ohm/cm, Durch Diffusion im abgedichteten Rohr wurde gleichzeitig mindestens durch die beiden gegenüberliegenden größeren Flächen Gallium diffundiert, um jeder Scheibe einen pnp-leitenden Grundaufbau zu verleihen. Die Quelle bildete metallisches Gallium, das auf eine Temperatur von 1000 C +50C erhitzt wurde, während die Scheibe bei der Diffusion auf eine Temperatur von 1230° C + 2° C erhitzt wurde. Die zur Herstellung der einzelnen p-Bereiche in einer Tiefe von 0,0635 mm erforderliche Diffusionszeit betrug 30 Stunden.
Durch Diffusion im offenen Rohr wurde auf jede/ der beiden größeren Flächen der einzelnen Halbleiterscheiben Phosphor aufgebracht, um einen η-leitenden Halbleiterbereich von ca. 0,76 . 10" cm zu erhalten, der an der Begrenzungsfläche eine durchschnittliche Ver-
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unreinigungskonzentration von 10 Phosphoratomen je cm aufwies. Die Phosphorquelle wurde von einem auf 860° C + 5° C erhitzten
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Anunoniumphosphat gebildet, und die Scheiben wir de η auf eine Temperatur von 1150° C + 2° C erhitzt. Die Ablagerungszeit des Phosphors betrug 45 Minuten, und als Trägergas diente ein Gasgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff.
Auf photolithographischem Wege wurde durch selektives Zitzen der einzelnen Scheiben von einer der beiden gegenüberliegenden Hauptflächen und den Seiten der Scheiben das mit Phosphor diffundierte Material vollständig entfernt, ebenso ein Teil des mit Gallium diffundierten Materials von den Seitenflächen der Scheiben, forner 36 fingerartige Kathodenbereiche gebildet, die an ihrem äußeren Ende jeweils eine bauchige Form entsprechend der Darstellung nach Fig. 4 hatten, jedoch ohne das elektrische Kontaktmateriul. Der Gatebereich 20 wurde tief genug ausgeätzt, um den pn-übergang zwischen dem mit Phosphor diffvindierten Bereich und dem mit Gallium diffundierten Bereich oberhalb des Bodens der Ausnehmung auch im Anschluß an eine nachfolgende Phosphor-"drive-inn-Stufe zu erhalten. Es wurde ein übliches Silizium-Ätzmittel angewendet .
Anschließend wurde die Scheibe eine halbe Stunde lang einer Phosphor-"drive-inM-Behandlung bei einer Temperatur von 1250° C + 2° C ausgesetzt, so daß ein η-leitender Bereich von 12-16 Mikron Tiefe gebildet wird. Anschließend wird auf die rückwärtige Ilauptfläche Gold mit handelsüblichen Mitteln in einer Stärke von 1000 5? aufgedampft. Dieses Gold läßt man anschließend bei 070° C 30 Minuten lang in einem Ofen in die Scheibe eindiffundieren.
An die rückwärtigen Hauptflächen des galliumdiffundierten HaIbleiterbereiches jeder Scheibe wurde eine Molybdän-Hilfselektrode mittels eines Lotes angeschlossen, das zu 1% aus Bor und im übrigen aus Aluminium bestand und in einem Ofen bei einer Temperatur von 700° C + 5° für eine Dauer von 10 Minuten aufgebracht wurde.
Anschließend wurden die Scheiben in eine Kammer gebracht, in der Metall unter Vakuum aufgedampft werden kann, und mit handelsüblichen Mitteln wurde auf die Scheibe eine Aluminiumschicht von
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etwa 40 000 Λ aufgebracht.
Auf photolithographischem Wege wurde in Verbindung mit einem im Handel erhältlichen Photoresist-Material wie etv/a "Kodak-Metal-Etch-Resist" und durch selektive Ätzung mit einem zu 50 Vol% aus konzentrierter Salpetersäure und zu 50 Vol% aus konzentrierter Phosphorsäure bestehenden /Ätzmittel das Aluminium aus den zwischen den einzelnen Kathodenbereichen und dem Gate-Bereich und den Seitenflächen liegenden Isolationszonen sowie aus den bauchigen Teilen der Kathodenbereiche der Scheiben entfernt, um die integrale Widerstandsschicht eines jeden Kathodenbereiches wie in Fig. 4 gezeigt herzustellen.
3 Zur Herstellung einer Rille von ca. 0,50 -0,76 . 10 cm Tiefe in der integralen Widerstandsschicht der Kathodenbereiche zwischen dem bauchigen Teil der Widerstandsschicht und dem metallisierten Teil des Kathodenbereiches entsprechend Fig. 7 wurde auf photolithographischem Wege eine selektive Ätzung mit einem aus 14 Volumenteilen konzentrierter Salpetersäure, einem Volumenteil Essigsäure und einem Volumenteil Flußsiiure bestehenden Ätzmittel vorgenommen.
Das Aluminium-Kontaktmetall wurde 15 Minuten lang bei 500° C + ο ~~
10 C in einem Ofen auf die entsprechenden Bereiche aufgesintert.
Die auf diese Weise hergestellten Scheiben wurden anschließend weiter durch Abfasen und Rundumätzung der Umfangskanten der Scheibe bearbeitet, um das elektrische Feld der einzelnen Bereiche zu bestimmen und den Sperrübergang jedes Elementes zu isolieren. Alle freiliegenden Flächen aus Halbleitermaterial wurden mit einem bei Raumtemperatur trocknenden Lack beschichtet, um die Flächen und die darinliegenden freien pn-Üborgänge zu passivieren.
Jede der fertiggestellten Scheiben wurde anschließend einer elektrischen Überprüfung auf ihre Eignung als durch eine Gate-
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Elektrode steuerbare Schalteinrichtung unterzogen. Der zu dem Gate-Bereich führende Kontakt lag in der Mitte des Gate-Bereiches der Scheibe. Bei Verwendung von fünf Kathodenbereichen 12 für eine solche bearbeitete Scheibe mit einem sich im wesentlichen über den gesamten Kathodenbereich erstreckenden Kontakt konnte das Halbleiterelement 10 in weniger als zwei Mikrosekunden nicht mehr als 30 A abschalten. Dagegen konnten fünf Kathodenbereiche einer Scheibe mit den in den einzelnen Kathodenbereichen befindlichen integralen Widerstandsschichten in weniger als zwei Mikrosekunden einen Strom von mehr als 70 Λ abschalten.
Die hierbei festgestellten Ergebnisse zeigen, daß eine nach der Lehre der Erfindung ausgeführte Scheibe einer Scheibe nach dem Stand der Technik überlegen ist. Wenn in jedem Kathodenbereich eine integrale Widerstandsschicht vorgesehen ist, fließt der letzte während des Sperrvorganges in der Schalteinrichtung fließende Strom durch diese integrale Widerstandsschicht. Die integrale Widerstandsschicht verteilt den Stromfluß gleichmaßiger auf alle Kathodenbereiche, was bei der Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik nicht der Fall ist, das sie bei einem etwas oberhalb von 30 A liegenden Strom im Verlauf einer weiteren Prüfung ausbrannte. Die Abschaltzeit der beiden Scheiben war im Hinblick auf ihre jeweilige Strombelastbarkeit dieselbe, jedoch wird bei einer nach der Erfindung hergestellten Scheibe die geometrische Form des Kathodenbereiches besser als bei einer bekannten Scheibe ausgenutzt.
Patentansprüche;
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Claims (1)

  1. - 14 -
    Patentansprüche
    l.j Mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Ströme, mit einer Halbleiterscheibe, die mehrere erste Bereiche eines Leitungstyps , die sich unter Bildung von pn-Übergängen von einer der Begrenzungsflächen der Halbleiterscheibe aus zu einem zweiten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps hin erstrecken, einen mit dem zweiten Bereich einen pn-übergang bildenden dritten Bereich des erstgenannten Leitungstyps sowie einen mit dem dritten Bereich einen pn-übergang bildenden vierten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps aufweist,der sich von der gegenüberliegenden Hauptfläche der Halbleiterscheibe zu dem dritten Bereich hin erstreckt, mit einer an der einen Hauptfläche der Halbleiterscheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit dem ersten bzw. zweiten Bereich angeordneten ersten und zweiten Elektrode, sowie mit einer an der gegenüberliegenden Hauptfläche der Hauptleiterscheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit dem vierten Bereich stehenden dritten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Mehrzahl elektrisch angeschlossener, mit den ersten Bereichen (12) in nicht gleichrichtendem Kontakt stehender Elementarelektroden (16) aufweist, von denen jede jeweils nur mit einem Teil des ersten Bereiches (12) in Verbindung steht, während der restliche, von der Kontaktbildung freie Teil eines jeden ersten Beraiches (12) eine zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung bei Sperrung der Schalteinrichtung geeignete integrale Widerstandsschicht (18) bildet.
    2, Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elementarelektrode (16) höchstens zwei Drittel der Fläche des jeweiligen ersten Bereiches (12) einnimmt,
    3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzdblmat, daß jeder der ersten Bereiche (12) eine längsgestreckte For,,* hat und die ersten Bereiche (12) auf der einen Hauptfläche
    (40) der Halbleiterscheibe in radialer Verteilung angeordnet
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    sind.
    4, Schalteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche (12) in Umfangsrichtung gesehen abwechselnd zwei unterschiedliche Flächengrößen haben.
    5. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite eines jeden ersten Bereiches (12) über seine Länge hin ändert, der kontaktfreie Teil dieses Bereiches breiter ist als der den Kontakt (16) bildende Teil und das schmalere Ende eines Bereiches (12) zur Mitte der Schalteinrichtung zeigt.
    6. Schalteiirichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ,jeder erste Bereich (12) eine keilförmige Gestalt hat.
    7, Schalteinrichtung mch Anspruch 3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder erste Bereich (12) an seinen Enden abgerundet ist und der Abrundungsradius an dem kontaktfreien Teil größer als die halbe Breite der zugeordneten Elementarelektrode (16) ist.
    G. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die eisten Bereiche (12) über den zweiten Bereich (14) hinausragen.
    9. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der kontaktfreie Teil neben dem einen Kontakt bildenden Teil des ersten Bereiches eine nach unten eingezogene, ausgesparte Zone aufweist.
    10. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekenzzelehnet, daß der erste, zweite, dritte und vierte Bereich (12, 14, 26, 28) η-leitend, p-leitend, n-leitend bzw. p-leitend sind und daß die ersten, zweiten und dritten Elektroden de Kathoden- bzw. Emitter-, Gate- und Anoden-Elektroden sind.
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