DE2134647C2 - Halbleiterbauelement zur Begrenzung von Überspannungen - Google Patents

Halbleiterbauelement zur Begrenzung von Überspannungen

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Description

a) je zwei der in Antiserie geschalteten Halbleiterdioden durch eine drei Schichten (2, 3, 4) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufweisende monokrhtalline Silizium-Halb leiterscheibe (1) gebildet sind, wobei die außen liegenden Schichten (2,4) gleichen Aufbau und gleich starke Dotierungen aufweisen,
b) die Dotierung der Halbleiterscheibe (1) so gewählt ist, daß die Störstellenkonzentration in einer Tiefe von 35 μΐη unter den Stirnflächen mindestens 1016 Atome/cm3 beträgt,
c) die Stirnflächen der beiden außen liegenden (2, 4) der drei Schichten (2, 3, 4) der Halbleiterscheibe (1) eine Störstellen-Konzentration von mindestens 1019 Atome/cm3, vorzugsweise 5 · 1020 Atome/cm3, aufweisen,
d) der Rand der Halbleiterscheibe (1) doppelseitig symmetrisch abgeschrägt ist,
e) und die wie unter c) angegebenen dotierten Stirnflächen (2,4) in direkter Druckkontaktverbindung mit den Zwischenlagen (7, 8) aus duktilem Material stehen.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Halbleiterscheibe (1) zugewandten, mit den Zwischenlagen (7, 8) in Kontakt stehenden Stirnflächen der Druckkontaktkörper (9, 10) gleiche geometrische Gestalt aufweisen und symmetrisch bezüglich der Halbleiterscheibe (1) aufliegen.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Zwischenlagen (7, 8) sowohl nach innen mit der Halbleiterscheibe (1) als auch nach außen mit den Druckkontaktkörpern (9, 10) durch lotfreie Druckkontakte verbunden sind und unter dem Druck eines gemeinsamen Druckerzeugungsmittels (17, 18) stehen.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlagen (7, 8) tellerförmig ausgebildet sind, wobei die Innenflächen der Tellerböden der Zwischenlagen (7, 8) den Druckkontaktkörpern (9,10) zugewandt sind.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Zwischenlagen (7, 8) größer ist als der Außendurchmesser der Halbleiterscheibe (1).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Zwischenlagen (7, 8) mit einem haftfesten, elastischen, elektrisch gut isolierenden Material (11) ausgefüllt ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gut isolierende Material (11) ein Silicon-Kautschuk ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der der Halbleiterscheibe (1) zugewandten Stirnflächen der Druckkontaktkörper (9, 10) kleiner ist als der Durchmesser der Stirnflächen der Halbleiterscheibe (I)-
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches ist bekannt aus der CH-PS 4 65 064. Dabei sind jedoch die in Antiserie geschalteten diskreten Dioden des bekannten Halbleiterbauelementes — auch wenn dies nicht explizit aus der Beschreibung hervorgeht — an ihren Stirnflächen metallisiert bzw. mit anlegierten Trägerplatten versehen. Dies kann zur Folge haben, daß die damit verbundenen thermischen Belastungen die elektrischen Sperrcharaktenstiken der beiden Dioden dauerhaft verändern. Der Nachteil des bekannten Elementes besteht hauptsächlich darin, daß zu dessen Herstellung jeweils zwei an ihren Stirnflächen metallisierte Dioden genau gleicher Charakteristiken ausgesucht werden müssen, wenn das fertige Element gleiche Eigenschaften in beiden Stromrichtungen aufweisen soll. Derartig gleiche Dioden sind in der Praxis aber, wenn überhaupt, nur mit größerem Aufwand zu erhalten. Hinzu kommt der erhebliche Aufwand beim Metallisieren bzw. Legieren der Stirnflächen der Dioden.
Das bekannte Bauelement ist deshalb zum Schutz von Leistungsthyristoren gegen Überspannungen nur bedingt geeignet, bzw. nach den oben genannten Modifikationen zu kostspielig; deshalb zieht man in der Praxis z. B. zum Schutz von Thyristoren eine RC-Beschaltung vor, die wiederum recht aufwendig ist.
Bauelemente zur annähernden symmetrischen Begrenzung von Signalspannungen, wie sie z. B. aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 der US-PS 33 63 150 bekannt sind, arbeiten nur bei verhältnismäßig kleinen Strömen bzw. Verlustleistungen und sind deshalb zum Überspannungsschutz von elektrischen Leistungsbauelementen nicht geeignet. Außerdem sind bei dem aus der US-PS 33 63 150 bekannten Bauelement die beiden in Antiserie geschalteten Dioden durch Lot verbunden.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das aus der CH-PS 4 65 064 bekannte Halbleiterbauelement für den Überspannungsschutz von Leistungsbauelementen, insbesondere von Leistungsthyristoren, derart zu verbessern, daß eine möglichst symmetrische Begrenzungscharakteristik erreicht wird, daß das Bauelement hoch belastbar ist gleichzeitig mit relativ geringem Aufwand herzustellen ist.
Diese Aufgabe wild durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Aus der DE-OS 14 64 412 ist zwar ein Verfahren zur Herstellung eines doppelseitig symmetrisch abgeschrägten Halbleiterbauelements mit zwei PN-Übergängen bekannt, jedoch sind dieser Druckschrift keinerlei Hinweise zu entnehmen, daß ein derart hergestelltes Bauelement zur symmetrischen Begrenzung von Überspannungen an elektrischen Leistungsbauelementen vorgesehen bzw. geeignet ist.
Schließlich ist noch aus der DE-OS 12/6 209 eine stapeiförmige Anordnung von Halbleiterbauelementen mit Druckkontaktierung bekannt.
Durch die Integration der Dioden in einer monokristallinen Siliziumscheibe und die doppelseitig symmetrische Abschrägung wird insbesondere die geforderte elektrische Symmetrie erreicht, da einerseits die beiden Teildioden nicht mehr unterschiedliche Herstellungsprozesse durchlaufen und damit gleiche Eigenschaften behalten, und andererseits die Abschrägung für ein gleichmäßiges Spannungsverhalten sorgt Der direkte Kontakt der Stirnflächen der Halbleiterscheibe ohne Metallisierung mit den duktilen Zwischenlagen bringt nicht nur eine erhebliche Reduktion des Herstellaufwandes, sondern vermeidet auch unerwünschte Veränderungen der elektrischen Eigenschaften bei den sonst üblichen Metallisierungs- bzw. Legierungsprozessen. Wesentlich ist dabei auch die spezielle, erfindungsgemäße Dotierung, die auch dafür sorgt, daß bei einer Überspannung ein kontrollierbarer Lawinenstrom zwischen den Druckkontakten durch die Halbleiterscheibe hindurch entsteht, der das Element nicht zerstört
Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Zwischenlagen napf- oder tellerförmig ausgebildet, wobei die Innenflächen der Böden dieser Zwischenlagen den Druckkontaktkörpern zugewandt sind. Diese Ausbildung der Zwischenlagen erhöht die Durchschlagfestigkeit des Elementes, weil auf diese Weise der Kriechweg zwischen den beiden, der Stromzufuhr dienenden Druckkontaktkörper erhöht wird. Besonders günstig ist es, den Raum zwischen den Zwischenlagen mit einem gut haftenden, elastischen, elektrisch gut isolierenden Material, z. B. Siliconkautschuk, auszufüllen. Dieses Material dient neben dem Schutz der sehr empfindlichen Randzone gleichzeitig der Fixierung der Halbleiterscheibe während Montage und Lagerung.
Weitere Merkmale und Ausführungsformen werden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen nachstehend erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung, während
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Kaskadenschaltung einer Vielzahl von Elementen nach F i g. 1 darstellt.
In F i g. 1 ist mit 1 eine aus Germanium oder Silizium bestehende Halbleiterscheibe bezeichnet. Die Halbleiterscheibe weist drei Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die n-Schicht 2, die 4"" p-Schicht 3 und die n-Schicht 4, auf. Diese bilden die p-n-Übergänge 5 und 6 (durch einfach strichlierte Linien angedeutet). Der Rand der Scheibe 1 ist in bekannter Weise doppelseitig abgeschrägt, um die Durchschlagfestigkeit der Scheibe zu erhöhen. An die beiden '" Stirnflächen der Halbleiterscheibe 1 schließen sich je eine vorzugsweise napfförmig ausgebildete Zwischenlage 7 bzw. 8 an. Die inneren Böden der Zwischenlage 7 und 8 sind den Stirnflächen der Halbleiterscheibe 1 abgftwandt. Sie bestehen aus einem duktilen Material, "" vorzugsweise Silber, und sind mindestens 0,05 mm dick. Ihr Außendurchmesser sollte größer sein als der äußere Durchmesser der Halbleiterscheibe 1. Der Raum zwischen beiden Zwischenlagen 7 und 8 ist mit einem haftfesten, elastischen, elektrisch gut isolierenden Kunststoff 11 ausgefüllt. Derartige speziell auf die Halbleitertechnik abgestimmte Kunststoffe sind bekannt (z. B. »junction coating resin« R 90 710 von Dow Corning). Der Kunststoff hat dabei die Aufgabe, die an der Oberfläche der Halbleiterscheibe 1 zutage tretenden p-n-Übergänge zu schützen und die beiden Zwischenlagen 7 und 8 nv,t der Halbleiterscheibe zu verbinden. Auf diese Weise erhält man einen gegen schädliche Einflüsse während Lagerung und Montage geschützten AktivteiL An die genannten Zwischenlagen 7,8 schließen sich als Druckkontaktkörper ausgebildete Metallscheiben 9 bzw. 10 an. Damit auf die Halbleiterscheibe 1 ein symmetrischer Druck ausgeübt wird, empfiehlt es sich, die Durchmesser der beiden Metallscheiben gleich groß zu wählen.
Die Metallscheiben können aus Molybdän, Wolfram oder Tantal bestehen. Vorteilhafter ist es, wenn hierfür Metalle oder Legierungen mit gutem thermischen und elektrischen Leitvermögen verwendet werden. Beispiele hierfür sind Hartkupfer oder Kupferlegierungen mit hoher mechanischer Festigkeit Wichtig ist, daß das gewählte Material mit dem Material der Elektroden 7 und 8 keine stoffschlüssige Verbindung unter Druck- und/oder Temperaturbelastung eingeht Letzteres kann vermieden werden, wenn die den Elektroden zugewandten Stirnflächen der Metallscheiben mit einer geeigneten Schicht aus Nickel o. ä. versehen werden.
Zur Fixierung der radialen Lage der Metallscheiben bezüglich des mit Zwischenlagen versehenen Aktivteils empfiehlt es sich, den Durchmesser der Metallscheiben nicht wesentlich kleiner zu wählen als den Durchmesser des Bodens der napfförmigen Zwischenlagen.
Die Halbleiterscheibe mit den an ihr befestigten Zwischenlagen und die beiden Metallscheiben werden in ein geeignetes Druckkontaktgehäuse eingesetzt und dort verspannt.
Auf die Darstellung des Gehäuses ist hier verzichtet worden, da es sich dabei um ein bekanntes Druckkontaktgehäuse handeln kann. Letzteres kann in ebenfalls bekannter Weise gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet sein oder in eine geeignete Kühleinrichtung eingebaut werden.
Bei der Herstellung des Aktivteils wird z. B. von einer einkristallinen η-dotierten Silizium-Scheibe ausgegangen. Durch Eindiffundieren einer geeigneten Dotierungssubstanz, beispielsweise Bor, wird eine sich über die gesamte Oberfläche der Silizium-Scheibe erstrekkende Zone vom p-Leitfähigkeitstyp erzeugt. Vorzugsweise wird hier die sogenannte Ampullen-Diffusion angewandt, wodurch sich gleiche Ladungsträgerkonzentrationen auf beiden Stirnflächen der Silizium-Scheibe erzielen lassen. Bei dieser Art des Diffusionsprozesses werden bekanntlich die zu behandelnden Silizium-Scheiben zusammen mit der Dotierungssubstanz in ein Gefäß, die Ampulle, eingelegt, ohne daß sich die einzelnen Scheiben berühren. Anschließend wird das Gefäß hermetisch abgeschlossen und in einen Diffusionsofen gelegt. Menge und Art der Dotierungssubstanz sowie die übrigen Reaktionsparameter werden so gewählt, daß sich in der Scheibe an den Stirnflächen eine Konzentration von mindestens 1019, vorzugsweise 5 · 1020 Atome/cm3 einstellt, und daß die Ladungsträgerkonzentrationen in einer Tiefe von 35 μπι noch 1016 Atome/cm3 beträgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die oberflächige Zone auf beiden Stirnflächen der Silizium-Scheibe eine gute Volumenleitfähigkeit aufweisen soll.
Nach erfolgter Diffusion wird die p-dotierte Zone am Rand der Silizium-Scheibe entfernt und der so behandelte Rand in bekannter Weise doppelseitig abgeschrägt. Nach dem Abschrägen wird die Silizium-Scheibe geätzt, um Verunreinigungen und gestörte Kristallzonen an der Oberfläche zu beseitigen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Silizium-Scheibe zwischen zwei Zwischenlagen gelegt, zentriert und mittels einer geeigneten Vorrichtung
provisorisch eingespannt Danach wird der Raum zwischen den beiden Zwischenlagen mit dem vorstehend genannten Kunststoff ausgefüllt. Nach dem Aushärten des Kunststoffes kann der Aktivteil aus der provisorischen Einspannvorrichtung genommen und an seinem endgültigen Einbauort montiert werden.
Entgegen herkömmlichen Techniken erfolgt bei dem vorgeschlagenen Halbleiterbauelement die Kontaktierung ohne irgendwelche stoffschlüssigen Verbindungen zwischen der Halbleiterscheibe und den sich daran anschließenden Teilen. Die Halbleiterscheibe ist lediglich zwischen den Druckkontaktkörpern, bzw. sich an diese anschließende Montageeinrichtungen gleitfähig eingespannL Diese Tatsache ermöglicht eine ungemein einfache und wirtschaftliche Fertigung.
in dem in F i g. 1 dargestellten Äüsführungsbeispiei ist lediglich ein einziges Halbleiterbauelement dargestellt worden. Es ist selbstverständlich, daß sich auch mehrere erfindungsgemäß kontaktierte, d. h. mit Zwischenlagen versehene Halbleiterscheiben in Reihe schalten lassen Diese Möglichkeit ist in dem Ausführungsbeispie gemäß Fig. 2 realisiert. Eine so aufgebaute Kaskade von Überspannungsableitern eignet sich in hervorragender Weise für Stromrichteranlagen der Hochspannungstechnik, ζ. B. für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung oder Bahnanlagen.
In der. Fig. 2 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 bezeichnet. Zwischen den in Kaskade geschalteten Halbleiterscheiben sind jeweils metallische Anschluß-Elektroden 12 vorgesehen. Die beiden Metallscheiben 9 und 10 sind ebenfalls als Anschluß-Elektroden ausgebildet. Die Druckkontaktierung erfolgt beispielsweise durch einen Spannrahmen mit den Druckplatten 13 und 14, und Kraftspeichern 15 und 16, z. B. Tellerfedern sowie den Boizen i/ und ie. Der Spannrahmen isi gegenüber dem Stapel durch Isolierscheiben 19 und 20 isoliert
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    _ 1. Halbleiterbauelement zur Begrenzung von Überspannungen mit mindestens zwei in einem gemeinsamen Gehäuse eingeschlossenen, mittels Druckkontakten kontaktierten, in Antiserie geschalteten scheibenförmigen Halbleiterdioden, die an den Stirnflächen gleitfähig über eine Zwischenlage aus duktilem Material zwischen Druckkontaktkörpern eingespannt sind, und bei dem die Ränder der Diodenscheiben jeweils abgeschrägt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
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