DE2051400A1

DE2051400A1 - Bistabiles Halbleiter-Bauelement

Info

Publication number: DE2051400A1
Application number: DE19702051400
Authority: DE
Inventors: Andre Dr. Ennetbaden; Marek Alois Dr. Nussbaumen; Jaecklin (Schweiz). MP
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1970-09-14
Filing date: 1970-10-20
Publication date: 1972-03-30
Also published as: CH520406A; DE2051400B2; DE2051400C3

Description

instabiles Halbleiter-Bauelement Die Erfindung betrifft-ein bistabiles Halbleiter-Bauelement mit drei Zonenübergängen (Thyristor), dessen Mantelflärhe im Bereich eines Ueberganges gegenüber der Fläche des Ueberganges derart geneigt ist, dass der Querschnitt des Bauelementes zur höher dotierten Zone hin abnimmt, sowie ein Verwahren zur Herstellung eines solchen Bauelementes und dessen Verwendung.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Thyristoren, deren Mantel fläche im Bereich des in Vorwärtsrichtung sperrenden Ueberganges in der vorstehend genannten Weise geneigt ist.
Es ist bekannt (IEEE Trans. El. Dev. ED-11, July 1964, 313; DT-S.S 1 281 584), dass bei derartigen, insbesondere im Bereich des vorwärts sperrenden Ueberganges negativ angeschrägten Thyristoren ein Volumendurchbruch vor oder wenigstens gleichzeitig mit einem Oberflächendurchbruch nur dann erreicht werden kann, wenn der Winkel der Anschrägung kleiner als 6°, beispielsweise etwa 20, ist.
Dadurch gehen jedoch bis zu 40% aktiver Fläche verloren.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Thyristor der eingangsbeschriebenen Art derart auszubilden, dass der Winkel grösser gemacht werden kann, so dass weniger aktive SlSche verloren geht, ohne dass aber die Feldstärke an der Thyristor-mantelfläche, insbesondere im Bereich des vorwärts sperrenden Ueberganges, dadurch vergrössert bzw. die Durchschiagsfestigkeit des Thyristors verringert wurde.
Die Aufgace wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindest:.s im Bereich des Ueberganges mit "negativ" geneigter Mantelfläche elektrostatische Ladungen aufgebracht sind, deren Polarität der der Raumladung in der Sperrschicht dar geringer dotierten der beiden an den Uebergang ansehliessenden Zonen entgegengesetzt ist. Die elektrostatischen Ladungen sollen insbesondere im Bereich des vorwärts sperrenden Ueberganges eines in diesem Bereich negativ angeschrägten Thyristors aufgebracht sein.
Dadurch ergibt sich ein Thyristor, dessen Anschrägungswinkel bfi gleicher Durchschlagsfestigkeit vergrssert werden kann, bzw. dessen Durchschlagsfestigkeit bei gleich bleibendem Anschrägungswinkel erhöht wird.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend an hand zweier Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt: Fig, 1 einen Thyristor, bei welchem die elektrostatischen Ladungen mittels einer permanent polarisierten Schicht auf die Mantelfläche aufgebracht sind, und Fig. 2 einen Thyristor, bei weichen auf einer die elektrostatischen Ladungen haltenden Schicht eine Elektrode zur Erhaltung und/oder Regelerierung der Pc)arisation vorgesehen ist.
Der Thyristor ist durch seine vier Zonen abwechselnden Leifähigkeitstyps 6, 7, 8, 9 angedeutet. Im dargestellten Fall ist 6 der p-Ernitter, 7 die n-Basis, 8 die p-Basis und 9 der n-Emitta@. In der Regel ist an die Zone 8 der (nicht gezeichnete) Steueranschluss angeschlossen. Der Anodenanschluss ist mit 17, der Kathodenanschluss mit 18 bezeichnet.
In Vorwärtsrichtung sperrt der Uebergang 11, in Rückwärtsrichtung der Uebergang 10, in geringerem Masse auch der Uebergang 12.
Der in Fi J 1 angedeutete Thyristor ist in Vorwärtsrichtung gepolt. @m Sperrzustand bildet sich dann im Bereich des vorwärts sperenden Uebergangs 11 eine Sperrschicht aus, die in der Zone 7 aus ionisierten Donatoren 4, und in der Zone 8 aus ionieierten Akzeptoren 5 gebildet wird. Die Sperrspannung fällt dann über die durch diese Donatoren und Akzeptoren gebildeten Raumladungszonen beiderseits des Uebergangs 11 ab.
Die Mantel fläche 1 ist im Bereich des Ueberganges 10 unter dem Winkel 13 gegenüber der Fläche des Ueberganges 10 angeschrägt. Da die Zone 6 höher dotiert ist als die Zone 7, und der Qlerschnitt des Thyristors von der Zone 6 zur Zone 7 hin abnimmt, spricht man von einer "positiven" Anschrägung.
Im Bereich des Ueberganges 11 ist die Mantelfläche 1 nach derselben Definition "negativ" angeschrägt, da die Zone 7 geringer dotiert ist als die Zone 8, urld diesmal der Querschnitt von der geringer dotierten zu der höher dotierten Zone hin abnimmt.
Es sind jedoch auch Thyristoren bekannt, die sowohl im Bereich des Ueberganges 11 als auch des Ueberganges 10 negativ angeschrägt sind.
Der "positive" Winkel 13 bewirkt- shon bei relativ geringen Abweichungen von 900 eine erhebliche Herabsetzung der Ober:lächenfeldstärke im Bereich des Deberganges 10.
Bei le° ist die OberflYchenfeldstärke um eine Grössenordnung l-leiner als bei 900.
Demgegenüber muss der "negative" Winkel l, wie eingangs erwähnt, weniger als 6°, z.B. 20, betragen, damit die Ober@ flächenfeldstärke derart sinkt, dass das Bauelement durch Volumendurchbrucheffekte spannungsmässig begrenzt wird.
Erfindungsgemäss sind nun auf die Mantelfläche 1 elektrostatische Ladungen 2 aufgebracht, deren Polarität der der Raumladur.g 4 entgegengesetzt ist. Dadurch wird im wesentlichen der durch die Schrägung verursachte Ueberschuss an positiver Ladung in der Raumladun 4 gegenüber-der in der Raumladung 5 kompensiert.
Die offensichtlich ungünstige Beeinflussung des Ueberganges 10 durch die Ladungen 2 ist vernachlässigbar, da die Oberflächenfeldstärke im Bereich dieses Ueberganges ja bereits durch die Anschrägung um eine Grässenordnung herabgesetzt wird.
Durch die elektrostatischen Ladungen 2, insbesondere wenn deren Menge etwa gleich der durch die Neigung der Mantels fläche 1 bedingten Differenz zwischen Donatoren 4 und Akzeptoren 5 in den Zonen 7 und 8 biderseits des vorwärts sperrenden Ueberganges ist, ergeben sich die gut parallelisierten, strichliert gezeichnetel. Aequipotentialflächen.
Ohne die Ladungen 2 würden sich die Aequipotentialflächen ungleichmässig etwa nach den strichpunktierten Linien aufblumen.
Es ist ersichtlich, dass im Falle der strichlierten Aequi-Potentialflächen die Oberflächenfeldstärke im Bereich des Ueberganges 11 geringer ist als im Falle der strichpunktierten Aequipotentialflehen.
Die Aufbringung der elektrostatisenen Ladungen geschieht zweckmässigerweise mittels einer polarisierten Schicht 15, in welcher dann den Ladungen 2 konjugierte Ladungen 3 gegenüberstehen. Damit diese konjugierte Ladungen 3 die erwünschten Wirkungen der Ladungen 2 nicht stören, ist es zweckmässig, die Schichtdicke so zu wählen, dass der Abstand d der konjugierten Ladungen 3 von den Ladungen 2 grösser ist als die Dicke w der Zone 7.
Zur Herstellung des Thyristors nach der Erfindung wird auf die Mantelfläche 1 eine Substanz aufgetragen, die in einen elektrischen Feld polarisiert werden kann.
Z.B. können permanent polarisierbare Substanzen, sogenanr.;e} Elektrete, aufgetragen werden, die dann durch eine hohe elektrische Spannung so polarisiert werden, dass sich die in Fig. 2 angedeutete Ladungsverteilung ergibt. Slektrete sind erhältlich in Form von Wachsen und Keramik. Als Materialien kommen z.B. Ba-Sr-Zr-Ti-Systeme in Frage.
Es können aber auch viskose Substanzen aufgetragen werden, in welchen bewegliche elektrische Ladungen unter hoher Spannung in die gewünschte Lage gemäss Fig. 1 gebracht werden, und diese Ladungen dann durch Aushärten der Substanz ortsfest gemacht werden. In Frage kommen hier Substanzen, die durch Aufheizen viskose werden und durch Abkühlen aushärten, z.I3. Glas und Email. Es können aber auch polymerisierbare Substanzen aufgetragen werden, die dann durch Polymerisation zwecks Einfrieren der Ladungen chemisch ausgehärtet werden, z.B. Polycarbonate, Polystyrol, Siliconverbindungen. Selbstverständlich muss die aushärtung bei fort:ährend anliegender elektrischer Spannung stattfinden.
Falls die Langzeitstabilität der Polarisation der auf brachten Substanzen ungenügend it, kann die Polarisation durch eine Elektrode 16 erhalten und/oder regeneriert werden. Dies ist in Fig. 2 angedsutet.
Die Elektrode 16 liegt auf der Schicht 15 auf und ist über eine, wie gezeichnet, gepolte Diode 19 mit dem Anodenanschluss 17 elektrisch verbunden. Wenn der Anodenanschluss 17 negativ ist, der Thyristor also in Rückwartsrichtung gepolt ist, ist die Diode 19 durchlässig und die Elektrode 16 wird entsprechend negativ aufgeladen, wodurch die Polarisation der aufgebrachten Schicht 15 im gewünschten Sinne erhalten uns/oder regeneriert wird.
Der strichliert eingezeichnete Kondensator 20 kann die Wirkung weiter verbessern.
Kondensator 20 und Diode 19 können aber auch miteinander vertauscht werden, wobei dann die Diode so zu polen ist, dass die Elektrode 16 von negativen Spannungen des Kathodenanschlusses 18 aufgeladen wird. Hier wird also der in Vorwärtsrichtung gepolte Thyristor zur Aufladung benutzt. Da der Thyristor in dieser Richtung in den Durchlasszustand gesteuert wird, ist diese Art der Erhaltung und/oder Regeneration-der Polarisation der Schicht 15 weniger zweck mässig.
Die Elektrode 16 kann aber auch durch eine (nicht gezeichnete) separate Gleichspannungsquelle mit der. erforderlichen Gleichspannung gespeist werden.
Die in der erfindungsgemässen Weise polarisierte Schicht 15, bzw. allgemein die Ladungen 2, sind auch bei den oben erwähnten, nicht gezeichneten Thyristoren mit "negativer" Anschrägung sowohl im Bereich des Ueberganges 11 als auch des Ueberganges 10 von grossem Vorteil.

Claims

P a t e n t a n s p r U c h e

Bistabiles Halbleiter-Bauelement mit drei Zonenübergängen (Thyristor), dessen Mantelfläche im Bereich eines Ueberganges gegenüber der Fläche des Ueberganges derart geneigt ist, dass der Querschnitt des Bauelementes zur höher dotierten Zone hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in diesem Bereich elektrostatische Ladungen (2) aufgebracht sind, deren Polarität der der Raumladung (4) in der Sperrschicht der geringer dotierten Zone (7) entgegengesetzt ist.
2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der elektrostatischen Ladunge (2) etwa gleich der durch die Neigung der Mantelfläche (1) bedingten Differenz zwischen Donatoren (4) und Akzeptoren (5) in den Zonen (7,8) 9 beiderseits des vorwärts sperrenden Ueberganges (11) ist.
fl 3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatischen Ladungen (2) mittels einer polarisierten Schicht (15) auf die Mantelfläche (1) aufgebracht sind, wobei die Schicht (15) ausreichend dick ist, dass die genannten Ladungen (2) und die hierzu konjugierten Ladungen (3) mindestens einen der Dicke (w) der geringer dotierten Zont 7) gleichen - 1 Abstand (d) aufweisen.
4. Verfahren sur Herstellung eines Halbleiter-Bauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Mantelfläche (1) eine Substanz aufgetragen wird, die in einem elektrischen Feld geeigneter Richtung polarisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent polarisierbare Substanz (Elektret) in Form eines Wachses oder einer Keramik aufgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch oder chemisch aushärtbare, viskose Substanz aufgetragen wird, welche im anliegenden elektrischen Feld ausgehärtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ba, Sr, Zr, Ti-Systeme als Elektret aufgebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass p.

Polycarbonate, Polystyrol, Siliconverbindungen oder dergleichen aufgetragen werden und die Ausßä@tung durch Polymerisation bewirkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Glas, Email oder dergleichen in viskoser Form aufgetragen und in dem elektrischen Feld ausgehärtet wird.
10. Verwendung des Halbleiter-Bauelementes nach Anspruch 1, susen mit einer die Polarisation erhaltenden und/oder regenerieronden Elektrode (16) an der Schicht (15).
11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Elektrode (16) an eine konstante Spannungsquelle angeschlossen ist.
12. Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Elektrode (16) Uber einen Gleichrichter (19) mit dem Anodenanschluss (17) des Halbleiter-Bauelementes derart verbunden ist, dass die Elektrode (16) bei negativem Anodenanschlußs aufgeladen wird.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Elektrode (16), ausserdem Über eine Kapazität (20) mit dem Kathodenanschluss (18) des Halbleiter-Bauelementes verbunden ist.

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