DE2121086A1 - Zu einer Einheit zusammengefaßtes Thyristor-Gleichrichter-Halbleiterbauteil - Google Patents

Zu einer Einheit zusammengefaßtes Thyristor-Gleichrichter-Halbleiterbauteil

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DE2121086A1 DE19712121086 DE2121086A DE2121086A1 DE 2121086 A1 DE2121086 A1 DE 2121086A1 DE 19712121086 DE19712121086 DE 19712121086 DE 2121086 A DE2121086 A DE 2121086A DE 2121086 A1 DE2121086 A1 DE 2121086A1
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Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-Ing, R. König
Dipl.-Ine. K, Bergen
Patentanwälte · 4qdd Düsseldorf · CecilienalTee 7B - Telefon 43 27 32
Unsere Akte: 26 619 28. April 1971
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York, N0Y. 10020 (V0St.A0)
"Zu einer Einheit zusammengefaßtes Thyristor-Gleichrichter-Halbleiterbauteil"
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile, insbesondere auf zu einer Einheit zusammengefaßte Schalteinrichtungen, die alternativ als Thyristor oder als Gleichrichterdiode arbeiten sollen.
Die als gesteuerte Gleichrichter bekannten Thyristoren sind Halbleiterschalter mit vier halbleitenden Gebieten unterschiedlicher Leitfähigkeit und mit einer Anode, einer Kathode und Gate-Elektroden. Diese Bauelemente werden in der Regel aus Silizium gefertigt. Im Normalzustand ist der gesteuerte Silizium-Gleichrichter (SCR) so lange nicht-leitend, bis ein geeigneter Spannungs- oder Stromimpuls an die Gate- bzw. Steuer-Elektrode angelegt wird, wobei ein Strom " von der Anode zur Kathode fließt, der einer Last zugeführt wird. Wenn der SCR in Sperr-Richtung vorgespannt ist, ist er nicht-leitend und kann durch ein an seiner Gate-Elektrode anliegendes Signal nicht gezündet bzw. durchgesteuert werden. Nach der Zündung ist eine Steuerung über die Gate-Elektrode nicht möglich, und der Strom fließt von der Anode zur Kathode, bis er unter einen bestimmten Wert (Haltestrom, genannt) absinkt. Bei diesem Punkt wird der SCR gesperrt und kann wieder über die Gate-Elektrode gesteuert werden.
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Der SCR ist ein Festkörperbauelement, das in der Lage ist, die Funktion einer Thyratronröhre in vielen Anwendungsfällen der Elektronik zu erfüllen. Bei einigen dieser Anwendungsfälle, zoB, in Kr aft fahrzeug- Zündanlagen und Horizontal-At>lenkschaltungen in Fernsehempfängern, ist es notwendig, eine getrennte Gleichrichterdiode parallel zu dem SCR zu schalten. Bei diesen Anwendungsfällen ist die Anode der Gleichrichterdiode mit der Kathode des SCR und die Kathode des Gleichrichters mit der SCR-Anode verbunden. Daher wird die Gleichrichterdiode in Durchlaßrichtung betrieben und zieht Strom, während der SCR in Sperrichtung vorgespannt ist; d.h., wenn die SCR-Kathode bezüglich der Anode positiv ist. Aus ökonomischen Erwägungen und zur leichteren Handhabung wäre es zweckmäßig, wenn die Funktion des SCR und des zugehörigen Dioden-Gleichrichters in einem einzigen Bauteil vereinigt werden könnte, so daß anstelle der an sich notwendigen zwei Bauelemente mit fünf elektrischen Anschlüssen ein Bauteil und drei elektrische Anschlüsse ausreichend sind. Wegen des verwendeten Halbleiterprofils arbeiten tatsächlich viele SCR's des Typs mit kurzgeschlossenem Emitter bei Betrieb in Sperrichtung als Diodengleichrichter. Die Diodengleichrichter—Funktion solcher Bauelemente ist jedoch nicht von dem als gesteuerter Gleichrichter wirkenden Teil getrennt, so daß ein rascher Übergang von der einen zur anderen Funktion verhindert wird. Es ist daher erwünscht, den als Diodengleichrichter wirkenden Teil der Baueinheit sowohl physikalisch als auch elektrisch von dem Teil zu trennen, welcher als SCR wirkt.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe und ist auf eine Kombination eines gesteuerten Gleichrichters und eines Diodengleichrichters in einem kristallinen Halbleiterkörper gerichtet, wobei der Körper zwei sich gegenüberliegende Hauptflächen und einen seine Peripherie definierenden Rand aufweist. Der Körper besitzt vier Halbleiter-
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gebiete abwechselnden Leitfähigkeitstyps, wobei ein PN-Übergang zwischen benachbarten Gebieten vorhanden ist. Zu diesen vier Gebieten gehören ein äußeres Gebiet an jeder der Hauptflächen und zwei Zwischengebiete; jedes der beiden Zwischengebiete erstreckt sich teilweise bis zu der zugehörigen Hauptfläche.
Ein an der zugehörigen Hauptfläche zwischen dem benachbarten äußeren Gebiet und dem Rand liegender Teil jedes der Zwischengebiete ist im Vergleich zu dem restlichen Teil dieses Gebiets hochleitend. Diese hochleitenden Bereiche der beiden Zwischengebiete trennen die Diodengleichrichterfunktion des Bauteils von dessen Funktion als gesteu- ' erter Gleichrichter.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils;
Fig. 2 eine zweite Querschnittansicht des Bauteils nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform des Bauteils nach Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Bauteils nach Fig. 1; und
Fig. 5 eine für die Betriebsweise des Bauteils nach Fig. repräsentative Kennlinie.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben.
Das Kombinationsbauteil 10 umfaßt einen kristallinen HaIb-
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leiterkörper 12 mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen 14 und 16 und einem Rand 18, welcher die Peripherie des Körpers 12 definierte Die Form und Größe des Körpers 12 ist ohne wesentliche Bedeutung; eine zylindrische Form ist jedoch bevorzugt. Der Körper 12 ist beispielsweise 15,24 χ 10"' bis 17,8 χ 10"^ cm dick und hat einen Durchmesser von 0,254 bis 0,279 cm. Der Körper 12 besitzt vier Halbleitergebiete 20, 22, 24 und 26 alternierenden Leitfähigkeit styps mit PN-Übergängen 21, 23 bzw. 25 zwischen benachbarten Gebieten. Die Gebiete können eine PEJPN- oder* NPNP-Konfiguration bildenj in Figo 1 sowie in der nachfolgenden Beschreibung ist jedoch auf eine PNPN-Konfiguration Bezug genommen. Diese vier Gebiete umfassen zwei äußere Gebiete 20 und 26, die an den beiden ihnen jeweils zugeordneten Oberflächen 16 bzwo 14 liegen, und zwei Zwischengebiete 22 und 24, welche aneinander und jeweils an eines der beiden Außengebiete 20 und 26 angrenzen. Teile jedes Zwischengebiets 22 und 24 erstrecken sich bis zu einer der beiden Oberflächen. Ein an den Rand 18 und die Oberfläche 16 angrenzender Bereich 34 des N-leitenden Zwischengebiets 22 ist relativ zum übrigen Teil des N-leitenden Zwischengebiets hochleitend (N+) und vom P-leitenden äußeren Gebiet 20 durch einen bis zur Oberfläche 16 reichenden Bereich 28 des N-leitenden Zwischengebiets 22 geringer Leitfähigkeit räumlich getrennte In ähnlicher Weise ist ein der Kante 18 an der Oberfläche 14 benachbarter Bereich 36 des P-leitenden Zwischengebiets 24 relativ zum übrigen Teil des P-leitenden Zwischengebiets hochleitend (P+) und von dem N-leitenden äußeren Gebiet 26 durch einen sich zur Oberfläche 14 erstreckenden Bereich 30 des Zwischengebiets 24 geringer Leitfähigkeit räumlich getrennte Außerdem reicht ein Mittelbereich 32 des P-leitenden Zwischengebiets 24 bis zur Oberfläche 14; der Mittelbereich ist vorzugsweise P+-leitend, um einen niederohmigen Kontakt zur Gate-Elektrode herzustellen.
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Eine erste Elektrode 38 überdeckt die gesamte Oberfläche 14 mit Ausnehme des an den mittleren P+-Bereich 32 angrenzenden Gebietsβ Diese Elektrode gibt direkten ohmschen Kontakt mit dem äußeren Gebiet 26 des N-Leitfähigkeitstyps und den Bereichen 30 und 36 des P-leitenden Zwischengebiets 24, welche bis zur Oberfläche 14 reichen. Eine zweite Elektrode 40 ist auf der gesamten Oberfläche 16 angeordnet und gibt ohmschen Kontakt mit dem P-leitenden äußeren Gebiet 20 und denjenigen Gebieten 28 und 34 des N-Ieitenden Zwischengebiets 22, welche bis zur Oberfläche 16 reichen. Eine Gate-Elektrode 42 gibt ohmschen Kontakt mit ' | dem Mittelbereich 32 des P-leitenden Zwischengebiets 24 an der Oberfläche 14. Eine Nut 44 in der Oberfläche 14 isoliert vorzugsweise die erste Elektrode 38 und die Gate-Elektrode 42.
Die vier Halbleitergebiete 20, 22, 24 und 26 und die erste, die zweite und die Gate-Elektrode 38, 40 und 42 bilden einen gesteuerten Gleichrichter, der in der zuvor beschriebenen Weise arbeitet. Die beiden halbleitenden Zwischengebiete 22 und 24 und die erste und zweite Elektrode 38 und 40 bilden einen Diodengleichrichter, welcher leitend ist, wenn der gesteuerte Gleichrichter in Sperrichtung betrieben ist. Die hochleitenden Bereiche 34 und 36 ä der Zwischengebiete 22 und 24 begrenzen die Diodenleitung zur Peripherie des Körpers 12«, Eine genauere Beschreibung der Arbeitsweise der Baueinheit wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 gegeben.
Das Bauteil 10 weist außerdem vorzugsweise eine Vielzahl von Gold-Rekombinationszentren auf, die über den Körper 12 verteilt sind. Die Diffusionsprofile dieser Rekombinationszentren sind ohne Bezugszeichen in Fig. 2 gezeigt. Wegen der besonderen Herstellungsweise des Bauteils, die nachfolgend beschrieben wird, neigen die Rekombinations-
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Zentren zur besonderen Konzentration in dem Teil des Körpers 12, der zwischen den beiden Bereichen 28 und 30 niedriger Leitfähigkeit der beiden Zwischengebiete 22 und 24 liegt. Diese Gold-Rekombinationszentren bilden daher effektiv eine elektrisch isolierende Zone, welche die Funktion des Bauteils 10 als gesteuerter Gleichrichter auf den mittleren Bereich des Körpers 12 begrenzt und die Funktion des Bauteils 10 als Diodengleichrichter dem Randbereich des Körpers zuweist.
Im folgenden wird die Herstellungsweise einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Bauteils beschrieben. Das Ausgangsmaterial ist ein Körper 12 aus N-leitendem kristallinen Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 20 0hm cm. Der PN-Übergang 23 wird durch Eindiffundieren eines Dotierstoffs des P-Typs in den Körper mit einer relativ geringen Oberflächenkonzentration in der Größen-
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Ordnung von 10 ' Atomen pro Kubikzentimeter gebildet,, Dieser Übergang 23 läßt sich herstellen, indem man die Dotierung zur Oberfläche 14 unter gleichzeitigem Abdecken der Oberfläche 16 mit einer Maske aus Siliziumdioxid begrenzt, oder man läßt den Dotierstoff des P-Typs von beiden Seiten her eindringen und entfernt ihn von der Oberfläche 16 in einem nachträglichen Ätz- oder Schleifschritt. Alternativ kann ein PN-Übergang 23 auch durch epitaktisches Aufdampfen des P-leitenden Siliziums auf den Ausgangskörper 12 gebildet werden. Als nächstes werden isolierende Schichten aus Siliziumdioxid auf den Oberflächen 14 und 16 des Körpers 12 durch Erwärmen des Körpers für 3 Stunden in einer Dampfatmosphäre gezüchtet. Sodann werden die isolierenden Schichten von ausgewählten Bereichen der oberen Fläche 14 und von einem Bereich der unteren Fläche 16 mit Hilfe von bekannten fotolithografischen Verfahren entfernt. Die freigelegten Bereiche bilden diejenigen Oberflächen, auf denen das äußere P+-Gebiet 20 und die P+-Bereiche 32 und 36 auf-
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gebaut werden.
Danach wird eine Dotierquelle des P-Typs, Z0B. Bornitrid, auf die frei liegenden Abschnitte der Oberflächen 14 und 16 aufgebracht. Der Halbleiterkörper wird dann für eine Zeitdauer von etwa einer halben Stunde auf 115O°C erwärmt, um das Bor in den Körper einzudiffundieren.
Im Anschluß daran wird zusätzliches Siliziumdioxid auf den Oberflächen 14 und 16 gebildet. Die Isolierschichten werden einem weiteren fotolithografischen Verfahrensschritt unterzogen, um die Abschnitte der Oberflächen freizulegen, die die äußeren N+ leitenden Gebiete 26 und die hochlei- "
tenden N+ Gebiete 34 des N-leitenden Zwischengebiets 22 bilden sollen. Der Halbleiterkörper 12 wird dann zur Bildung dieser Gebiete für etwa 2 Stunden in Dämpfen einer Dotierquelle vom N-Typ, z.B. Phosphoroxidchlorid auf 12650C erhitzt.
Die verbleibenden Abschnitte des Siliziumdioxids werden dann entfernt und auf jede Oberfläche 14 und 16 wird eine dünne Goldschicht von etwa 25,0 2. Dicke aufgedampft oder auf andere Weise aufgebracht. Der Halbleiterkörper 12 wird dann für etwa 1 Stunde in einer reduzierenden Atmosphäre einer Temperatur zwischen 8000C und 9000C ausgesetzt, wo- d durch Gold-Dotierstoffe in den Körper 12 eindiffundieren. Da Gold erheblich leichter durch ein undotiertes oder nur leicht dotiertes Gebiet diffundiert, dienen die Abschnitte 28 und 30 der beiden Zwischengebiete 22 und 24 als "Fenster", die es ermöglichen, daß sich Gold-Dotierstoffe höherer Konzentration in dem zwischen den Abschnitten 28 und 30 gelegenen Teil des Körpers anreichern. Dies führt zu dem in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Profil der Gold-Rekombinationszentren innerhalb des Halbleiterkörpers.
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Das verbleibende Gold wird von den Oberflächen 14 und 16 entfernt. Die erste, die zweite und die Gate-Elektrode 38, 40 und 42 werden dann auf den zugehörigen Oberflächen aufgebrachte Dies geschieht beispielsweise mittels eines Nickel-Elektroplattierverfahrens, und die Nickel-Elektroden werden danach durch Tauchen mit Lötmittel beschichtet. Die einzelnen Bauteile werden vom zusammengesetzten Plättchen getrennt, und die Nut wird in Jedes Bauteil geätzt. Die zweite Elektrode 40 jedes Bauteils wird dann durch Löten mit einer metallischen Oberfläche verbunden, die von einer Fläche des Gehäuses des Halbleiterbauteils oder dessen Halterung gebildet werden kann.
Eine alternative Ausführungsform des kombinierten Halbleiterbauteils ist in Fig. 3 gezeigt. Das Bauteil 70 entspricht im wesentlichen dem Bauteil 10 nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß das N-leitende Zwischengebiet 74 ein N- Gebiet 76 hohen spezifischen Widerstands neben dem P-leitenden Zwischengebiet 24 und ein N-Gebiet 78 höherer Leitfähigkeit als das N- Gebiet 76 aufweist. Das N-leitende Gebiet 78 geht von der unteren Oberfläche 16 aus und umfaßt den N+ Bereich 84 hoher Leitfähigkeit, der von dem benachbarten äußeren P+ Gebiet 20 durch einen vom N-leitenden Gebiet 78 zur Oberfläche durchlaufenden Abschnitt 88 getrennt ist.
Diese Ausführungsform ist dann verwendbar, wenn das Bauteil mit höchster Sperrspannung für eine gegebene Dicke des N-leitenden Zwischengebiets betrieben wird, weil das N-leitende Gebiet 78 verhindert, daß die Sperrschicht genügend weit streut und das äußere P+ Gebiet 20 des Bauteils durchsteuert.
Die Herstellung des Bauteils nach Fig. 3 kann mit einer gleichzeitigen Diffusion von P- und N-Dotierstoffen in
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gegenüberliegende Seiten eines leicht in Richtung auf li-Leitfähigkeii; dotierten Plättehens beginnen. Die folgenden Verfahrens schritte des Abdeelcens und Eindiffundier ens von P+ und W+ Dotierstoffen entsprechen dann den in Verbindung mit dem Bauteil nach Fig. 1 beschriebenen Verfahrensschritten»
Figur 4 zeigt ein schematisches Schaltbild 50 des Bauteils nach den Fig. 1 und 2, in dem ein Diodengleichrichter 52 zu einem SCR 54 antiparallel geschaltet ist. Das Bauteil 10 ist der Schaltung 50 elektrisch äquivalent, weil zwisehen dem als Anodengebiet der Diode 52 dienenden P-leitenden Zwischenbereich 24 und dem als Kathodengebiet für die Diode dienenden N-leitenden Zwischenbereich 22 ein Diodenübergang gebildet ist. Die erste und zweite Elektrode 38 und 40 bilden die Anode bzw. Kathode der Diode 52 in Fig. 4. Der gesteuerte Gleichrichter hat das P+N-PN+ Profil der Gebiete 20, 22, 24 bzw. 26 mit einer Anode 40, einer Kathode 38 und einer Gate-Elektrode 42.
Im Betrieb ist der Diodengleichrichter leitend, wenn eine positive Vorspannung an der Kathode des SCR und eine negative Vorspannung an der Anode des SCR angelegt wirde Während der Perioden, in denen der SCR in Sperrichtung vorgespannt ist, ist deshalb die von den P und N- Gebieten 24 und 22 (Fig.1) gebildete Umfangsdiode in Durchlaßrichtung vorgespannt und in einer der Durchlaßrichtung des SCR entgegengesetzten Richtung leitend. Die kreisringförmigen hochleitenden Bereiche 36 und 34 der beiden Gebiete und die oben beschriebenen Gold-Rekombinationszentren begrenzen den umgekehrt fließenden Diodenstrom des Halbleiterkörpers 12 wirksam. Wenn der SCR 54 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann er durch Anlegen von positiven Spannungspulsen an seiner Gate-Elektrode aufgesteuert werden, wodurch das Bauteil in der vorstehend beschriebenen Weise
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arbeitet.
Die elektrischen Charakteristiken eines erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterbauteils sind in Fig. 5 dargestellt, wo (auf der Ordinate) der von der Anode zur Kathode fließende Strom über der Spannung (Abszisse) zwischen Anode und Kathode aufgetragen ist. Wenn die Spannung zwischen der Anode und der Kathode des SCR in umgekehrter, nichtleitender Richtung einwirkt, ist der SCR-Äbschnitt der Baueinheit nicht-leitend, während der um Umfang liegende Diodengleichrichter in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und Strom in Sperrichtung durchläßt. Dies ist durch den Ast 60 der Strom-Spannungskurve dargestellt. Wenn die Polarität der angelegten Vorspannung derart umgekehrt wird, daß der SCR in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, fließt ein geringer Reststrom. Bei Erhöhung der Vorspannung in Durchlaßrichtung wird ein Spannungspunkt 62 erreicht, in dem der Durchlaßstrom schnell anwächst. Wenn der Durchlaßstrom einen kritischen Wert überschreitet, geht die Spannung am SCR auf einen niedrigeren Wert zurück. An diesem Punkt ist der SCR durchgesteuert und der Durchlaßstrom steigt mit geringem Anwachsen der Vorspannung in Durchlaßrichtung schnell an. Dies ist im Ast 64 der Kennlinie in Fig. 5 gezeigt.
Das vorstehend beschriebene Bauelement vereinigt auf diese Weise die erwünschten Betriebseigenschaften eines SCR mit den zusätzlichen Möglichkeiten Strom in Sperrichtung zu leiten. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil kann deshalb in solchen elektronischen Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei denen bisher ein SCR und ein separater, parallel geschalteter Diodengleichrichter erforderlich waren.
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Claims (1)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche;
    1 9) Zu einer Einheit zusammengefaßtes Thyristor-Gleichrichter-Halbleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kristallinen Halbleiterkörper (12) mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen (1.6, 14) und einem seinen Rand (18) definierenden Umfang vier Halblei- λ tergebiete (20, 22, 24, 26) abwechselnden Leitfähigkeitstypus mit jeweils zwischen benachbarten Gebieten liegenden PN-Übergängen gebildet sind, daß die vier Halbleitergebiete (20, 22, 24, 26) aus jeweils einem an einer Hauptfläche (16, 14) gelegenen äußeren Gebiet (20, 26) und zwei Zwischengebieten (22, 24) bestehen, wobei jedes Zwischengebiet einen sich bis zur zugehörigen Hauptfläche (16, 14) erstreckenden Abschnitt aufweist, und daß ein im Bereich der zugehörigen Hauptflächen liegender Abschnitt (34, 36) jedes Zwischengebiets (22, 24) zwischen dem angrenzenden äußeren Halbleitergebiet (20, 26) und dem Rand (18) relativ zum restlichen Zwischengebiet hochleitend ist.
    2«, Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochleitende Abschnitt (34, 36) jedes Zwischengebiets (22, 24) vom benachbarten äußeren Gebiet (20, 26) durch einen sich zur zugehörigen Hauptfläche (16, 14) erstreckenden, relativ niedrig leitenden Abschnitt (28, 30) des Zwischengebiets (22, 24) getrennt ist.
    3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper (12) eine Vielzahl von Rekombinationszentren gebildet sind,
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    die im wesentlichen zwischen den sich zu den zugehörigen Hauptflächen (16, 14) erstreckenden, relativ niedrig leitenden Abschnitten (28, 30) der Zwischengebiete (22, 24) konzentriert sind,
    4. Halbleiterbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren Gold als Dotierstoff aufweisen.
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