DE2051400C3 - Thyristor und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

rfnden PN-Übergangs mit einem Belag elektro- 15

statischer Ladungen, deren Polarität gleich der
der Majoritätsträger in der ersten inneren niedrig
dotierten Zone ist, bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag die Mantel- Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit drei fläche (1) im Bereich sowohl des vorwärts (11) 20 PN-Übcrgängen und einer schichtförmigen Zonenais auch des rückwärts (10) sperrenden P\-Über- folgo derart, daß einer äußeren höher dotierten eine ganges zusammenhängend bedeckt. _erste innere niedrig dotierte und dieser eine zweite

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge- innere höher dotierte Zone folgt, be' dem die Mankennzeichnet, daß die Menge der elektrostati- telfläche des Thyristors gegenüber den Flächen der sehen Ladungen (2) etwa gleich der durch die as die Zonen trennenden PN-Übergänge derart geneigt Neigung der Mantelfläche (1) bedingten Diffe- ist, daß der Querschnitt des Thyristors von der ersten renz zwischen Donatoren (4) und Akzeptoren (5) inneren niedrig dotierten zu der zweiten inneren höin den Zonen (7,8) beiderseits des vorwärts sper- her dotierten Zone hin abnimmt, und bei dem die renden PN-Überganges(ll) ist. Mantelfläche im Bereich des vorwärts sperrenden

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch ge- 3° PN-Übergangs mit einem Belag elektrostatischer Lakennzeichnet, daß die elektrostatischen Ladungen düngen, deren Polarität gleich der der Majoritätsträ-(2) mittels einer polarisierten Schicht (15) auf die ger in der ersten inneren niedrig dotierten Zone ist, Mantelfläche (1) aufgebracht sind und daß diese bedeckt ist.

Schicht (15) so dick ist, daß die elektrostatischen Es ist bekannt (deutsche Offenlegungsschrift

Ladungen (2) und die hierzu konjugierten La- 35 1 489 882), Halbleiterbauelemente. die zwei

düngen (3) in der polarisierten Schicht (15) min- PN-Übergangsflächen zwischen einer inneren niedri-

destens einen der Dicke (»ν) der niedrig dotierten ger und zwei äußeren höher dotierten Zonen aufwei-

Zone (7) gleichen Abstand (d) aufweisen. sen und deren Mantelfläche derart geneigt ist, daß

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch ge- ihr Querschnitt von einer zur anderen äußeren Zone kennzeichnet, daß eine die Polarisation erhal- 40 hin abnimmt, auf ihrer Mantelfläche mit einem zutende und/oder regenerierende Elektrode (16) an sammenhängenden Belag elektrostatischer Ladungen der Schicht (15) vorgesehen ist. mit einer Polarität zu versehen, die der der Majori-

5. Thyristor nach Ansprach 4, dadurch ge- tätsträger in der niedriger dotierten Zone entgegengekennzeichnet, daß die Elektrode (16) an eine setzt ist. Diese Maßnahme soll einen Oberflächenkonstante Spannungsquellc angeschlossen ist. *5 durchschlag vermeiden. Die Maßnahme kann jedoch

6. Thyristor nach Ansprach 4, dadurch ge- bei einem Thyristor bestenfalls für das Sperren in kennzeichnet, daß die Elektrode (16) über einen Rückwärtsrichtung nützlich sein.

Gleichrichter (19) mit dem Anodenanschluß (17) Es ist weiter bekannt (deutsche Auslegeschrift

des Thyristors derart verbunden ist, daß die 1182 353), bei einem Thyristor die zwischen zwei

Elektrode (16) bei negativem Anodenanschluß 5° p-Zonen an die Oberfläche tretende η-Zone mit einer

(17) aufgeladen wird. elektropositiv wirkenden Substanz, z. B. einem Lack

7. Thyristor nach Ansprach 6, dadurch ge- mit Alizarinzusatz, zu bedecken. Die Polarität der kennzeichnet, daß die Elektrode (16) außerdem Substanz ist entgegengesetzt zu der der Majoritätsträüber eine Kapazität (20) mit dem Kathodenan- ger in der n-Basis-Zone, die bei Thyristoren bekanntschluß (18) des Thyristors verbunden ist. 55 lieh die am niedrigsten dotierte ist. Wenn bei diesem

8. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors bekannten Thyristor das Sperrverhalten durch den nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Belag verbessert wird, so liegt das daran, daß Alizaauf die Mantelfläche (1) eine Substanz aufgetra- rin bekanntlich getternd — möglicherweise durch gen wird, die in einem elektrischen Feld geeigne- koordinative Bindung — auf das Sperrverhalten des ter Richtung polarisiert wird. 60 Thyristors ungünstig beeinflussende Verunreinigung

9. Verfahren nach Ansprache, dadurch ge- wirkt.

kennzeichnet, daß ein Elektret in Form eines Es ist weiter bekannt (deutsche Auslegeschrift

Wachses oder einer Keramik aufgetragen wird. 1 292 756), einen Thyristor, dessen Querschnitt von

10. Verfahren nach Ansprache, dadurch ge- der ersten inneren niedrig dotierten zu der zweiten kennzeichnet, daß eine thermisch oder chemisch 65 inneren höher dotierten Zone abnimmt, auf der Manaushärtbare, viskose Substanz aufgetragen wird, telfläche im Bereich des vorwärts sperrenden Überweiche im anliegenden elektrischen Feld ausge- ganges mit einem Belag elektrostatischer Ladungen härtet wird. zu versehen, deren Polarität gleich der der Majori-

tälsträger in der eftten inneren niedrig dotierten Zone ist. Die Mantelfläche der ersten inneren niedrig dotierten Zone des bekannten Thyristors weist einen solchen Belag im Bereich des rückwärts sperrenden

8 die p-Basis und 9 der η-Emitter. In der Regel ist an die Zone 8 der (nicht gezeichnete) Steueranschlub angeschlossen. Der Anodenanschluß ist mit 17, der Kathodenanschluß mit 18 bezeichnet. In Vorwärts

elektrostatischer Ladungen vorgesehen, deren Polarität entgegengesetzt zu der Majoritätsträger in der ersten inneren niedrig dotierten Zone ist. Ein solcher Thyristor mag wohl ein gutes Sperrverhalten aufwei-

Überganges nicht auf. Vielmehr ist hier ein Belag 5 richtung sperrt der Übergang 11, in Rückwärtsrichtung der Übergang 10, in geringerem Maße auch der Übergang 12.
Der in F i g. 1 angedeutete Thyristor ist in Vor-

..., „ „ ..... wärtsrichtung gepolt. Am Sperrzustand bildet sich

sen, jedoch ist die lokalisierte Herstellung der Beläge io dann im Bereich des vorwärts sperrenden Übergangs

außerordentlich aufwendig und steht in keinem Ver- 11 eine Sperrschicht aus, die in der Zone 7 aus lom-

hältnis zum erreichten Erfolg. sierten Donatoren 4 und in der Zone 8 aus iomsier-

Ferner ist bei Thyristoren mit abgeschrägter Man- ten Akzeptoren 5 gebildet wird. Die Sperrspannung

telfläche bekannt, die Durchbruchsspannung der fällt dann über die durch diese Donatoren und Ak-

PN-Übergänge durch auf der Mantelfläche angeord- 15 zeptoren gebildeten Raumladungszonen beiderseits

nete, von ihr durch isolierende Schichten getrennte des Übergangs 11 ab.

Elektroden zu beeinflussen (deutsche Offenlegungs- Die Mantelfläche 1 ist im Bereich des Überganges

schrift 1 489 943, britische Patentschrift 1 119 299). 10 unter dem Winkel 13 gegenüber der Fläche des

Schließlich ist es noch bekannt (IEEE Trans. EI. Überganges 10 angeschrägt. Da die Zone 6 höherdo-

Dev. ED-Il, July 1964, 313; deutsche Auslegeschrift 20 tiert ist als die Zone 7, und der Querschnitt des Thy -

1281584), daß bei Thyristoren, deren Querschnitt ristors von der Zone 6 zur Zone 7 hin abnimmt,

von der ersten inneren niedrig dotierten zu der zwei- spricht man von einer »positiven« Anschrägung.
ten inneren höher dotierten Zone hin abnimmt, die Im Bereich des Überganges 11 ist die Mantel-

also im Bereich des vorwärts sperrenden Überganges fläche 1 nach deiselbfn Difinition »negativ« ange-

»negativ« angeschrägt sind, ein Volumendurchbruch 25 schrägt, da die Zone 7 geringer dotiert ist als die

vor oder wenigstens gleichzeitig mit einem Oberflä- Zone 8 und diesmal der Querschnitt von der genn-

chendurchbruch nur dann erreicht werden kann, wenn der Winkel der Anschrägung ungleich 45', insbesondere kleiner als 45 ° ist. In diesem Fail kön-

ger dotierten zu der höher dotierten Zone hin abnimmt.

..._„„. „.„ . „.. „„.. Es sind jedoch auch Thyristoren bekannt, die so-

nen jedoch bis zu 4O°/o aktiver Fläche verloren- 30 wohl im Bereich des Überganges 11 als auch des gehen. Überganges 10 »negativ« angeschrägt sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Thyristor der Der »positive« Winkel 13 bewirkt schon bei relativ

eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, daß geringen Abweichungen von 90^Λ eine erhebliche bei gegebenem Winkel der Anschrägung und mini- Herabsetzung der Oberflächenfeldstärke im ^Berei^^h malern Verlust an aktiver Fläche die Feldstärke an 35 des Überganges 10. Bei 12" ist die Oberflächenfeldder 1 hyristor-Mantelfläche, insbesondere im Bereich stärke um eine Größenordnung kleiner als bei 90 \
des vorwärts sperrenden Überganges, die Feldstärke Demgegenüber muß der »negative« Winkel 14,

für den Volumendurchbruch nicht übersteigt bzw. wie eingangs erwähnt, weniger als 6°, z.B. ² \ ^edie Durchschlagsfestigkeit des Thyristors ausschließ- tragen, damit die Oberflächenfeldstärke derart sinkt, Hch durch die volumeninhärenten Eigenschaften be- 40 daß das Bauelement durch Volumendurchbrucnetstimmt wird. Dabei soll der technische Aufwand bei fekte spannungsmäßig begrenzt wird,
der Herstellung des Thyristors minimal bleiben.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten

Thyristor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der _D - — _o-_o- _a

Belag die Mantelfläche im Bereich sowohl des vor- 45 wesentlichen der durch die Schrägung verursachte wärts als auch des rückwärts sperrenden Überganges Überschuß an positiver Ladung in der Raumladung 4 zusammenhängend bedeckt. gegenüber der in der Raumladung 5 kompensiert.

Dadurch ergibt sich ein Thyristor, dessen Durch- Die offensichtlich ungünstige Beeinflussung des

Schlagsfestigkeit bei gegebenem Anschrägungswinkel Überganges 10 durch die Ladungen 2 ist vernachiasverbessert wird, bzw. dessen aktive Fläche bei gleich- 50 sigbar, da die Oberflächenfeldstärke im Bereich diebleibender Durchschlagsfestigkeit erhöht werden ses Überganges ja bereits durch die Anschrägung um kann. Der Erfolg wird erreicht, ohne daß bei der eine Größenordnung herabgesetzt wird.
Herstellung des Thyristors ein übermäßiger Aufwand Durch die elektrostatischen Ladungen 2, insbeson-

vonnöten wäre. dere wenn deren Menge etwa gleich der durch die

Die Erfindung wird an Hand zweier in Figuren 55 Neigung der Mantelfläche 1 bedingten Differenz zwidargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. sehen Donatoren 4 und Akzeptoren 5 in den Zonen 7 Hierbei zeigt

F i g. 1 einen Thyristor, bei welchem die elektrostatischen Ladungen mittels einer permanent polarisierten Schicht auf die Mantelfläche aufgebracht 60 sind, und

Auf'die Mantelfläche 1 sind neun elektrostatische Ladungen 2 aufgebracht, deren Polarität der der Raumladung 4 entgegengesetzt ist. Dadurch wird im

F i g. 2 einen Thyristor, bei welchem auf einer die elektrostatischen Ladungen haltenden Schicht eine Elektrode zur Erhaltung und/oder Regenerierung der Polarisation vorgesehen ist.

Der Thyristor ist durch seine vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps 6,7, 8,9 angedeutet. Im dargestellten Fall ist 6 der p-Emitter. 7 die n-Basis,

und 8 beiderseits des vorwärts sperrenden Überganges ist, ergeben sich die gut parallelisierten, strichliert gezeichneten Äquipotentialflächen.

Ohne die Ladungen 2 würden sich die Äquipotentialflächen ungleichmäßig etwa nach den strichpunktierten Linien aufbäumen.

Es ist ersichtlich, daß im Falle der strichlierten Äquipotentialflächen die Oberflächenfeldstärke im 65 Bereich des Überganges 11 geringer ist als im Falle der strichpunktierten Äquipotentialflächen.

Die Aufbringung der elektrostatischen Ladungen geschieht zweckmäßigerweise mittels einer polarisier-

ten Schicht 15, in welcher dann den Ladungen 2 konjugierte Ladungen 3 gegenüberstehen. Damit diese konjugierten 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 einem elektrischen Feld polarisiert werden kann.

Zum Beispiel können permanent polarisierbare Substanzen, sogenannte Eleklrete, aufgetragen werden, die dann durch eine hohe elektrische Spannung so polarisiert werden, daß sich die in Fig. 2 augedeutete Ladungsverteilung ergibt. Elektrete 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 F i g. 1 gebracht werden und diese Ladungen dann durch Aushärten der Substanz ortsfest gemacht werden. In Frage kommen hier Substanzen, die durch Aufheizen viskos werden und durch Abkühlen aushärten, z. B. 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 fortwäh rend anliegender elektrischer Spannung stattfinden.

Falls die Langzeitstabilität der Polarisation de aufgebrachten Substanzen ungenügend ist, kann dii Polarisation durch eine Elektrode 16 erhallen und oder regeneriert werden. Dies ist in Fi g. 2 angedeu tet.

Die Elektrode 16 liegt auf der Schicht 15 auf um ist über eine, wie gezeichnet, gepolte Diode 19 mi dem Anodenanschluß 17 elektrisch verbunden Wenn der Anodenanschluß 17 negativ ist, der Thyri stör also in Rückwärtsrichtung gepolr ist, ist di< Diode 19 durchlässig, und die Elektrode 16 wird entsprechend negativ aufgeladen, wodurch die Polarisation der aufgebrachten Schicht 15 im gewünschter Sinne erhalten und/oder regeneriert wird. Der strichliert eingezeichnete Kondensator 20 kann die Wirkung weiter verbessern.

Kondensator 20 und Diode 19 können aber aucli miteinander verlauscht werden, wobei dann die Diode so zu polen ist, daß die Elektrode 16 von negativen Spannungen des Kathodenan.schlusscs 18 aufgeladen wird. Hier wird also der in Vorwärtsrichtung gepolle 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 zweckmäßig.

Die Elektrode 16 kann aber auch durch eine (nicht gezeichnete) separate Gleichspannungsquelle mit der erforderlichen Gleichspannung gespeist werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gePatentansprüche: kennzeichnet, daß Ba-, Sr-, Zr-, Ti-Systeme als Elektret aufgebracht werden.

1. Thyristor mit drei PN-Obergängen und einer 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch geschichtförmigen Zonenfolge derart, daß einer 5 kennzeichnet, daß Polycarbonate, Polystyrol, Siäußeren höher dotierten eine erste innere niedrig liconverbindungen od. dgl. aufgetragen werden dotierte und dieser eine zweite innere höher do- und die Aushärtung durch Poymensation bewirkt tierte Zone folgt, bei dem die Mantelflache des wird.

Thyristors gegenüber den Rächen der die Zonen 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch getrennenden PN-Übergänge derart geneigt ist, daß ίο kennzeichnet, daß Glas, Email od. dgl. in yiskoder Querschnitt des Thyristors von der ersten in- ser Form aufgetragen und in einem elektrischen neren niedrig dotierten zu der zweiten inneren Feld ausgehärtet wird,
höher dotierten Zone hin abnimmt, und bei dem
die Mantelfläche im Bereich des vorwärts sper-