DE2056806B2

DE2056806B2 - Bistabiles halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2056806B2
Application number: DE19702056806
Authority: DE
Inventors: Alois Math.-Phys. Dr Nussbaumen Marek (Schweiz)
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1970-11-19
Publication date: 1978-01-26
Also published as: US3771027A; DE2056806A1; DE2056806C3; CH526859A; DE7042689U

Description

Die Erfindung betrifft ein bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen, wobei mindestens einer der beiden äußeren Zonenübergänge durch galvanischen Kontakt der angrenzenden inneren Zone mit der zugehörigen Hauptelektrode in definierten Bereichen, kurzgeschlossen ist, und wobei die Zündung des Elementes über die Basiszone erfolgt, welche an die zuerst zur Injektion anzugrenzende Zone angrenzt.

Derartige Halbleiterbauelemente sind beispielsweise aus der US-PS 33 37 782 bekannt. Dabei werden die p-Basiszone, mit der zugehörigen Hauptelektrode, der Kathode, verbindenden Kurzschlußbereiche als sogenannte Emitterkurzschlüsse bezeichnet. Sie verbessern die höchstzulässige Spannungsteilheit du/dt und die Abhängigkeit der Kippspannung von der Temperatur, weil im ersten Fall der Ladestrom für den Aufbau der Vorwärts-Sperrschicht, im zweiten Fall der statische Sperrstrom an dem Emitter-pn-Übergang vorbei direkt zur Elektrode geleitet wird und somit eine Injektion des Emitters für diese unerwünschten Ströme vermieden wird. Es sind auch rückwärtsleitende Thyristoren bekannt (DT-AS 15 30 630), bei welchen Emitterkurzschlüsse nicht nur kathodenseitig, sondern auch anodenseitig vorgesehen sind.

Ferner ist auch eine Zweirichtungs-Thyristortriode bekannt (DT-OS 15 39 982), welche aus zwei antiparallel liegenden pnpn-Elementen besteht, wobei das eine pnpn-Element eine kammartige Emitterstruktur mit streifenförmigen Kurzschlußbereichen aufweist. Bei der Zündung dieses Elementes wird die Ausbreitungsfront des gezündeten Zustandes durch eine besondere

zueinander ausgebildet sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleketrode (7) zentral in einer Ausnehmung (13) der sie allseits umgebenden zugehörigen Emitterzone (1) angeordnet ist, und die streifenförmigen Kurzschlußbereiche (S) sich radial von der Steuerelektrode (7) aus weg erstrecken.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, da8 der Außenrand der Steuerelektrode (7) und Innenwand der sie umgebenden Emitterzone (1) zahnradartig ausgebildet sind, wobei sich Zahn und Zahn und Lücke und Lücke gegenüberstehen, und die Lücken in einer Geraden mit den Kurzschlußbereichen (5), und die Zähne mit den dazwischen liegenden Emitterzonenbereichen liegen.

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Anspruchs 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Emitterzone (1) und die Kurzschlußbereiche (5, ggf. 6) kontaktierende Elektrodenmetall ein guter elektrischer und thermischer Leiter ist und seine Dicke über den Kurzschlußbereichen (5, ggf. 6) größer als über die Emitterzone (1) ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke über der Emitterzone (1) nur so groß ist, daß sich ein ausreichend geringer transversaler elektrischer Widerstand ergibt.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die rippenartigen Verdikkungen (9) des Elektrodenmetalls unmittelbar mit den elektrischen Anschlüssen und/oder den mechanischen Halterungen verbunden sind.

Anordnung der Steuerelektrode auf der der emittierenden Zone benachbarten Basiszone von außen schräg in die streifenförmige Kurzschlußbereiche hineingelenkt, was eine — bei dem bekannten Element im übrigen gar nicht besonders angestrebte — schnelle Fortpflanzung der Ausbreitungsfront behindert.

Emitterkurzschlüsse sind nur dann wirksam (vgl. z. B. Scientia Electrica XII (1966) Fase. 4, S. 120), wenn der ohmsche Querwiderstand durch die Basiszone zur Kurzschlußelektrode klein ist gegenüber dem Widerstand des pn-Überganges. Dies wird umso problematischer, je größer die Fläche des Halbleiterbauelementes ist, insbesondere also bei Leistungsthyristoren. Bei solchen großflächigen Elementen werden daher die Kurzschlüße in Form kleiner Bereiche gleichmäßig über die ganze Emitterzone verteilt.

Eine derartige Ausführungsform bringt jedoch den Nachteil, daß die Kurzschlußbereiche die Ausbreitungsfront des sich von der Steuerelektrode über das ganze Element ausbreitenden gezündeten Zustandes unterbrechen, umlenken oder aufspalten, insgesamt also die schnelle Ausbreitung stören. Das macht sich in einer Verschlechterung der höchstzulässigen Stromsteilheit di/dt bemerkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geometrische Ausbildung der Kurzschlußbereiche in Bezug auf die Steuer- bzw. Hauptelektrode(n) so zu wählen, daß die Ausbreitung des gezündeten Zustandes

b5 möglichst wenig behindert und damit eine möglichst schnelle Zündung des ganzen Elementes erreicht wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Halbleiterbauelement der eingangs dargestellten Art

die Kurzschlußbereiche als schmale Streifen ausgebildet sind, deren Längsseiten sich im wesentlichen parallel zu der durch die geometrische Anordnung und Ausbildung der Steuerelektrode und der Hauptelektrode(n) bestimmten Ausbreitungsrichtung des durch einen Steuerimpuls von der Steuerelektrode aus eingeleiteten gezündeten Zustandes erstrecken, und die Kurzschlußbereiche von der Steuerelektrode auf der Strecke der kürzesten Verbindung jeweils durch Gebiete der Emitterzone getrennt sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement mit einer länglichen, streifenförmigen Steuerelektrode und senkrecht dazu angeordneten, parallelen Kurzschlußbereichen,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß A-A in Fig. 1, links der Mittellinie mit Emitterkurzschlüssen nur auf der Kathodenseite, rechts mit kathoden- und anodenseitigen Emitterkurzschlüssen,

Fig.3 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf ein kontaktiertes Halbleiterbauelement mit einer zahnradartigen, zentral angeordneten Steuerleketrode und radial nach außen verlaufenden Kurzschlußbereichen, und

Fig.4 links einen Schnitt gemäß S, rechts einen Schnitt gemäß Cin F i g. 3.

In F i g. 1 und 2 ist ein Halbleiterbauelement mit einer η-leitenden Emitterzone 1, einer p-leitenden Basiszone 2, einer η-leitenden Basiszone 3 und einer p-leitenden Emitterzone 4 dargestellt. Die der Kathodenelektrode 8 zugewandte Zone 1 ist von streifenförmigen Bereichen 5 der Zone 2 unterbrochen, die in galvanischem Kontakt mit der Kathode 8 stehen und damit als Emitterkurzan-Schlüsse wirken. Die Steuerelektrode 7 ist gleichfalls als Streifen ausgebildet, der sich parallel zu jeweils einer Seite der durch die Steuereleketrode 7 getrennten Teilbereiche der Emitterzone 1 erstreckt und senkrecht zur Längsrichtung der Kurzschlußbereiche 5. ίο

Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, kann die der Anodenelektrode 10 zugewandte Zone 4 ebenfalls durch Kurzschlußbereiche 6(rechts in Fig. 2)unterbrochen sein, oder aber zusammenhängend ausgebildet sein (links in Fig.2). Im ersten Fall ist das bistabile Halbleiterbauelement rückwärts leitend, im zweiten Fall rückwärts sperrend. Durch kongruente Ausbildung und Anordnung der anodenseitigen Emitterzonenbereiche 4 bzw. Kurzschlußbereiche 6 mit den kathodenseitigen im Falle des rückwärts leitenden Elementes wird die Durchlaßspannung herabgesetzt.

Das Elektrodenmetall sowohl der Kathode als auch der Anode ist derart ausgebildet, daß es dick ist oberhalb der Kurzschlußbereiche 5, 6, und dünn oberhalb der Emitterzonenbereiche 1, 4. Dies erbringt Vorteile für die Kühlung des Halbleiterbauelementes, da sich die Verlustwärme in dem Bauelement im wesentlichen nur in den Bereichen der Emitter-pn-Übergänge 1/2 bzw. 4/3 entwickelt, und durch die Ausbildung der Elektroden in der beschriebenen Art der thermische M) Übergangswiderstand besonders klein wird, wenn die Elektrode an ihrer Oberfläche unmittelbar mit dem Kühlmittel beaufschlagt wird.

Eine ausreichend gute transversale elektrische Leitfähigkeit zu den seitwärts herausgeführten elektrischen Anschlüssen sowie eine gute mechanische Stabilität wird durch die rippenartigen Verdickungen 9,11 erzielt.

Die Kurzschlußbereiche 5 sind von der Steuerzone 7 auf der Strecke der kürzesten Verbindung jeweils durch Gebiete der Emitterzone 1 getrennt, damit sich kein unmittelbarer Kurzschluß über die Zone 2 zwischen Steuerelektrode 7 und Kathode 8 ergibt.

Wenn der Steuerelektrode 7 eine positive Spannung erteilt wird, wird das Bauelement längs der Gebiete zwischen der Steuerelektrode 7 und der Emitterzone t durchgezündet. Die Ausbreitungsfront muß sich dann senkrecht zur Längsrichtung der Steuerelektrode 7 über die ganze Emitterzone 1 nach außen bewegen. Dies wird mit großer Geschwindigkeit dadurch erreicht, daß sich die streifenförmigen Kurzschlußbereiche 5 parallel zur Bewegungsrichtung der Ausbreitungsfront erstrecken.

Jn Fig. 3 und 4 ist ein rotationssymmetrisches Halbleiterbauelement dargestellt, das in seinen Grundzügen und Bezeichnungen mit dem Element nach Fig. 1 und 2 übereinstimmt. Bei dem dargestellten Element ist jedoch die Steuerelektrode 7 zentral in einer Ausnehmung 13 der Kathode 8 angeordnet. Der Außenrand der Steuerelektrode 7 und der Innenrand der Ausnehmung 13 sind zahnradartig ausgebildet, wobei sich Zahn und Zahn und Lücke und Lücke gegenüberstehen. Dabei liegen die Lücken in einer Geraden mit den Kurzschlußbereichen 5, und die Zähne mit den dazwischen liegenden Emitterzonenbereichen.

Die Kurzschlußbereiche 5 sind wiederum als schmale Streifen ausgebildet, erstrecken sich aber diesmal von der zentralen Steuerelektrode 7 weg nach außen. Sie sind wieder durch Gebiete der Emitterzone 1 von der Steuerelektrode 7 getrennt.

Durch die geschilderte Lage der Zähne und Lücken wird erreicht, daß die Zündung, die definiert in den Bereichen der Zähne einsetzt, in die Emitterzonenbereiche zwischen den Kurzschlußbereichen gelenkt wird.

Auch bei dieser Geometrie ist der Brems-, Umlenk- und/oder Spalteffekt, der sich für die Ausbreitungsfront bei der Wechselwirkung mit den Rändern der Kurzschlußbereiche ergibt, sehr viel kleiner als bei den über die ganze Fläche verteilten Kurzschlußbereichen der bekannten Elemente.

In Fig.4 sind noch strichliert die Stromlinien dargestellt, wie sie sich etwa kurz nach der Zündung des Elementes durch einen Steuerimpuls auf die Steuerelektrode 7 darstellen. Die Stromlinien zwischen der anodenseitigen p+-Schicht 14 und der kathodenseitigen Emitterzone 1 drängen sich zunächst im Gebiet unterhalb der Steuerelektrode 7 zusammen. Die Front des gezündeten Zustands bewegt sich dann in Richtung der Pfeile D nach außen, bis die Stromlinien über die ganze aktive Fläche verteilt sind. Die Kurzschlußbereiche 5 laufen parallel zur Richtung D, so daß, wie geschildert, die Ausbreitung rasch erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen, wobei mindestens einer der beiden äußeren Zonenübergänge durch galvanischen Kontakt der angrenzenden inneren Zone mit der zugehörigen Hauptelektrode in definierten Bereichen kurzgeschlossen ist, und wobei die Zündung des Elementes über die Basiszone er- to folgt.welche an die zuerst zur Injektion anzuregende Zone angrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kurzschlußbereiche (5; ggf. 6) als schmale Streifen ausgebildet sind, deren Längsseiten sich im wesentlichen parallel zu der durch geometrisehe Anordnung und Ausbildung der Steuerelektrode (7) und der Hauptelektrode^) (8; ggf. 10) bestimmten Ausbreitungsrichtung (D) des durch einen Steuerimpuls von der Steuerelektrode (7) aus eingeleiteten gezündeten Zustandes erstrecken, und die Kurzschlußbereiche (5) von der Steuerelektrode (7) auf der Strecke der kürzesten Verbindung jeweils durch Gebiete der Emitterzone (1) getrennt sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (7) als länglicher Streifen ausgebildet ist, zu welchem eine Seite der zugehörigen Emitterzone (1) parallel verläuft, und die Kurzschlußbereiche (5) sich in der Emitterzone (1) senkrecht zur Richtung der Steuerelektrode (7) erstrecken.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf der Kathoden (8)- als auch auf der Anoden (10)- Seite Kurzschlußbereiche (5 und 6) vorgesehen sind, die kongruent