DE2237086A1 - Steuerbares halbleitergleichrichterelement - Google Patents

Description

SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbau u. Elektronik m.b.H.

8500 Nürnberg - Wiesentalstraße 40 Telefon Q911 /37781 - Telex 06/22155

25. Juli 1972 PA-Bu/rü I 127203

Steuerbares Halbleitergleichrichterelement

Beim Umschalten steuerbarer Halbleitergleichrichterelemente, sogenannter Thyristoren, vom nichtleitenden in den leitenden Betriebszustand, auch als Durchschalten bezeichnet, ist der ansteigende Laststrom von der Anode zur Kathode bekanntlich infolge der durch die Ladungsträgerbewegung bestimmten Potentialverhältnisse zunächst auf einen der Steuerelektrode benachbarten Strompfad beschränkt. Dessen Querschnitt wird im wesentlichen durch denjenigen Bereich der Emitterzone bestimmt, in welchem, verursacht durch den Steuerstrom, die Emission von Ladungsträgern in die angrenzende Basiszone erfolgt. Diese Beschränkung des Stromflußquerschnitts und die relativ geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ladungsträgeremission Über die Emitterfläche können bei steil ansteigendem Laststrom schon kurz nach dem Durchschalten zu einer unzulässigen spezifischen Belastung dieses ersten Strompfades und infolge der ungenügenden Wärmeleitfähigkeit des Halbleitermaterials zu einer unerwünschten lokalen Erwärmung der Anordnung und dadurch zu deren Ausfall fuhren.

Die geringe ZUndausbreitungsgeschwindigkeit ist bekanntlich auch die Ursache dafUr, daß bei Anwendungsfällen mit Betriebsfrequenzen ab etwa 1 kHz eine Ausweitung des anfänglichen Strompfades auf den verfügbaren Stromflußquerschnitt während der Durchlaßphase nicht erreicht wird und daher die bei niedrigerer Betriebsfrequenz zulässige Strombelastbarkeit der Gleichrichterelemente reduziert werden muß.

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Zur Vermeidung dieser Nachteile, d. h. zur Erhöhung der ZUndausbreitungsgeschwindigkeit oder der sogenannten kritischen Stromanstiegsgeschwindigkeit· di/dt, mUssen daher die infolge des Steuerimpulses zur Emitterzone wandernden und dieselbe zur Emission anregenden Ladungsträger der Basiszone auf einen möglichst großen Bereich der Emitterzone gelenkt werden.

Eine Erhöhung der Zündleistung ist nicht beliebig möglich und fuhrt insbesondere bei punktfönniger Ausbildung der Steuerelektrode und bei deren Anordnung in einer Randzone der Emitterfläche oder außerhalb derselben aufgrund der Tatsache, daß die Ladungsträger jeweils entsprechend dem Verlauf des elektrischen Feldes zwischen Steuerelektrode und Emitterkontakt bevorzugt zu dessen nächstliegendem Bereich wandern, nicht zu dem gewUnschten Durchschaltverhalten.

Weiterhin sind Thyristoren mit sogenanntem Querfeldemitter bekannt. Bei diesen verläuft die Emitterkontaktelektrode in ihrem der Steuerelektrode benachbarten Abschnitt nicht bis zum Rand der angrenzenden Emitterzone, sondern endet in beträchtlichem Abstand von demselben. Der freibleibende, nicht metallisierte Abschnitt der Emitterzonenfläche bildet fUr den zur Emitterzone fließenden Steuerstrom einen Begrenzungswiderstand, der einen Spannungsabfall erzeugt. Dieser hat ein die Ausbreitung der Ladungsträgeremission begünstigendes, in der Ebene der Basiszone wirkendes elektrisches Feld zur Folge.

Bei solchen Anordnungen ist infolge der Verminderung der Emitterkontaktfläche die Forderung nach optimaler Strombelastbarkeit nicht erfüllt.

Außerdem sind Thyristoren bekannt geworden, bei denen die Dicke des unter der Emitterxon· liegenden Teils der angrenzenden Basiszone mit zunehaiender Entfernung vom nbchstliegenden Teil der Steuerelektrode abnimmt. Hierbei handelt et «ich speziell um Anordnungen mit durch Legieren erzielter Emitterzone und alt zentraler oder ringförmiger Steuerelektrode.

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Schließlich sind AusfUhrungsformen von Thyristoren bekannt, bei denen die ZUndausbreitung mit Hilfe einer auf dem gleichen Halbleiterkörper gebildeten und als HiIfsthyristor wirkenden Anordnung erzielt wird. Dieser in Üblicher Weise Über eine Steuerelektrode zu zUndende HiIfsthyristor löst mit seinem Anodenstrom die Zündung des Hauptthyristors aus. Bei diesen bekannten Bauformen ist zwischen Steuerelektrode und Emitterzone eine weitere, teilweise auf einer zusätzlichen dotierten Zone angeordnete Kontaktelektrode mit oder ohne Leitungsanschluß erforderlich, wodurch eine Verringerung der Fläche sowohl der Emitterzone als auch der Emitterkontaktelektrode notwendig und somit eine optimale Strombelastbarkeit ebenfalls nicht gegeben ist.

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Halbleitergleichrichterelement mit einen einkristallinen Halbleiterkörper aus vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, deren eine äußere Zone als Emitterzone vorgesehen ist, deren beide äußeren Zonen je eine Kontaktelektrode fUr den Laststrom und deren an die Emitterzone angrenzende Basiszone eine Kontaktelektrode fUr den Steuerstrom aufweisen.

Die Aufgabe, steuerbare Halbleitergleichrichterelemente ohne die den bekannten AusfUhrungsformen anhaftenden Nachteile und mit wesentlich erhöhter ZUndausbreitungsgeschwindigkeit zu erzielen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Emitterzone bis auf einen nicht kontaktierten Randbereich, der mit der Oberfläche der angrenzenden Basiszone abschließt, gegenüber dieser Oberfläche vertieft eingelassen angeordnet ist, und daß zwischen dem Randbereich der Emitterzone und der angrenzenden Basiszone ein in wesentlichen zur Oberfläche paralleler pn-Ubergang besteht.

Der Gegenstand der Erfindung weist gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich verbesserte kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit sowie günstigere ZUndcharakteristik auf.

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Anhand des in der Figur im Schnitt dargestellten Ausfuhrungsbeispiels eines Halbleiterkörpers mit Vierschichtenstruktur werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert·

Gemäß der Darstellung ist bein Aufbau des Halbleiterkörpers in an sich bekannter Weise von einer Folge aus drei schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgegangen, nämlich einer schwach dotierten, beispielsweise η-leitenden Innenzone 1 und zwei jeweils an eine Seite derselben angrenzenden, höher dotierten, p-leitenden Zonen 2 und 3. Die Zonen 1 bis 3 bilden die beiden pn-Übergänge I, und I_?. Die Zone 3 bildet die Basiszone zur Anordnung sowohl der vierten, als Emitter dienenden und gegenüber der Basiszone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisenden, hoch dotierten Zone als auch der Steuerelektrode. Erfindungsgemäß ist nun die Emitterzone 4 derart in die Basiszone eingefügt, daß die Oberfläche ihres konzentrischen Randbereichs 4a mit der Oberfläche der Basiszone abschließt, und daß die Übrige zur Kontaktierung vorgesehene Fläche der Emitterzone gegenüber der Oberfläche der Basiszone in diese vertieft eingelassen angeordnet ist, so daß der mit der Basiszone gebildete pn-übergang I« in einem ausgedehnten zentralen Bereich parallel zur Ebene der Basiszone und daran anschließend in zwei Stufen zur Oberfläche der Basiszone verläuft·

Die Eindringtiefe der Emitterzone 4 in die Basiszone 3 ist durch die Forderung bestimmt, daß bei anliegender höchstzulässiger Sperrspannung an dem Vierschichtenaufbau der in die Basiszone 3 "atmende" Teil der Raumladungszone des pn-Übergangs I« zur Vermeidung des sogenannten punch-through-Effekts noch einen ausreichenden Abstand zum pn-Ubergang I. aufweist«

Die durch die vertieft eingelassene Anordnung der Emitterzone 4 in der Basiszone 3 in der ersteren gebildete Vertiefung 5 dient zur Aufnahme der beispielsweise die Kathode bildenden Kontaktelektrode 14, die aus einer zur Kontaktierung des Halbleitermaterials geeigneten metallischen Schicht,

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beispielsweise aus Aluminium und/oder Silber, und einer Kontaktplatte, beispielsweise aus Molybdän, besteht.

Die mittels eines Diffusionsverfahrens erzielte, stufenförmig ausgebildete Emitterzone 4 weist die bei bekannten Anordnungen Übliche Dicke auf.

Da der Randbereich Aa der Emitterzone nicht mit einem Kontaktüberzug versehen ist, kann er in einem sehr geringen und nur durch herstellungstechnische Gesichtspunkte bestimmten Abstand von der Steuerelektrode 15 enden.

Die Breite des Randbereichs 4a wird speziell in dem der Steuerelektrode benachbarten Abschnitt durch die Forderung nach Erzielung einer fUr den ZUndvorgang gUnstigen Ladungsträgeremission in Richtung der Anode 12 bestimmt und demgegenüber bezüglich der gesamten Flächenausdehnung durch die Forderung nach optimaler Flächennutzung der Emitterzone für die Strombelastbarkeit des Gleichrichterelements begrenzt.

Schon eine geringe Einsenkung von wenigen um des kontaktierten Bereichs der Emitterzone gegenüber dem nicht kontaktierten Randbereich 4a ergibt eine Verbesserung des Durchschaltverhaltens im Vergleich zu bekannten Anordnungen. So wurden bereits mit einer Einsenkung von 5yum gUnstige Ergebnisse erzielt.

Die erfindungsgemäß verbesserte ZUndausbreitung erbrachte eine mindestens um den Faktor 4 erhöhte kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Anordnungen.

Die höher dotierte Zone 2 ist an ihrer freien Oberfläche mit einer beispielsweise die Anode bildenden Kontaktelektrode 12 versehen.

Das erfindungsgemäße Gleichrichterelement wird in an sich bekannter Weise dadurch gezündet/ daß bei einer zwischen den Elektroden 12 und 14 anlie-

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genden, an der Elektrode 12 höheren Spannung die Steuerelektrode T5 axt einem gegenüber der Kontaktelektrode 14 positiven Steuerimpuls beaufschlagt wird. Durch das zwischen den Elektroden 15 und 14 entstehende elektrische Feld wandern Defektelektronen innerhalb der Basiszone 3 von der Steuerelektrode zu dem dieser benachbarten, dem Randbereich 4a zugeordneten Abschnitt des pn-Übergangs Ig, der dadurch in Durchlaßrichtung gepolt ist«

Aufgrund der Ladungsträgeranhäufung an dem flächenhaft zur Anode 12 gerichteten, nahe der Steuerelektrode liegenden Teil dieses Abschnitts des pn-Übergangs I«j wird dieser zur Emission von Elektronen angeregt, die durch die Wirkung des zwischen Kathode 14 und Anode 12 bestehenden elektrischen Feldes durch den Schichtenaufbau in die Zone 2 wandern und diese zur Emission von Defektelektronen veranlassen, wie dies in der Figur durch die punktierte, mit Pfeilen für den Ladungsträgerverlauf versehene Linie dargestellt ist.

Aufgrund der Ausbildung eines Strompfades vom Randbereich 4a durch den Schichtenaufbau zur Anodenzone 2 wird durch denjenigen Ausschnitt aus de· Schichtenaufbau, der durch den der Steuerelektrode 15 benachbarten Abschnitt des Randbereichs 4a sowie durch die Linien seiner Projektion auf die Anode gebildet wird, eine gewünschte Verbesserung des Durchscholtverhaltens erreicht·

Der in diesem den Randbereich 4a zugeordneten Ausschnitt des Vierschichtenauf baus durch Emission der Zone 2 entstehende Anodenstrom, der den ZUndstrom des Thyristors darstellt, fließt nun nicht zum Randbereich 4a, sondern der Strompfad ist infolge der durch die erfindungsgemäße Anordnung der Emitterzone gegebenen Verkürzung der Weglänge fUr die Ladungsträger und der damit erzielten Verminderung des Bahnwiderstandes sowie aufgrund des Verlaufs des zwischen den Elektroden 12 und 14 bestehenden elektrischen Feldes auf den der Steuerelektrode benachbarten, der Anode zugewandten Abschnitt des kontaktierten Bereichs der Emitterzone gerich-

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tet_# d. h. im wesentlichen auf den zentralen Bereich der Emitterzone. Dadurch wird aber eine größere Teilfläche der Emitterzone von diesem Zlindstrom beaufschlagt, sodaß die Stromhelastung des Schichtenaufbaus je Flächeneinheit verringert wird und demzufolge eine höhere kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit erzielbar ist.

Die ZUndausbreitung erfolgt dann durch zunehmende Emission der Zonen 2 und 4, sodaß die StromfUhrung immer mehr von dem Volumen des Vierschichtenauf haus Übernommen wird, das durch die Projektion der kontaktierten Fläche der Emitterzone auf die Anode bestimmt wird. Aufgrund der geringeren Entfernung zwischen den pn-Übergüngen I_ und I« sind gegenüber bekannten Anordnungen geringere Zündverte für die Steuerelektrode erforderlich.

Eine Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung besteht darin, daß der Randbereich 4a der Emitterzone 4 auf den der Steuerelektrode gegenüberliegenden Abschnitt beschränkt ist, und dcsS daran angrenzend die Emitterzone die Basiszone 3 vollständig bedeckt.

Eine andere Weiterbildung des erfindtingsgemilßen Gegenstandes ist dadurch gegeben, daß die Steuerelektrode in die Basiszone vertieft eingelassen ist.

Damit ist eine weitere Anreicherung des zwischen Emitter- und Basiszone verlaufenden, der Steuerelektrode gegenüberliegenden pn-Übergangs mit Defektelektronen verbunden.

Der mit einer solchen vertieft angeordneten Steuerelektrode versehene Schichtenaufbau kann zur weiteren Verbesserung des Zlindverhaltens noch dadurch vorteilhaft ausgestaltet sein, daß zwischen der Steuerelektrode 15 und dem Randbereich 4a in der Basiszone 3 eine schlitzförmige Aussparung vorgesehen ist, deren Tiefe durch die Dicke sowohl des Randbereichs 4a als auch der Aussparung für die Steuerelektrode und deren Breite nur durch

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fertigungstechnische Gesichtspunkte bestimmt wird. Diese schlitzförmige Aussparung soll dazu dienen, den Fluß der Defektelektronen von der Steuerelektrode zu dem an der Oberfläche der Basiszone austretenden Abschnitt des pn-Übergangs I» im Bereich des Randbereichs 4a im wesentlichen zo verhindern.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements wird eine Halbleiterscheibe mit beispielsweise η-Leitfähigkeit und geeigneter Dicke einem an sich bekannten Diffusionsverfahren zur Erzielung einer pnp-Schichtenfolge unterworfen. Im Anschluß daran wird in eine Oberfläche mit Hilfe einer Abdeckung durch Ätzen eine Vertiefung hergestellt, die zur Erzeugung der n⁺-leitenden Emitterzone vorgesehen ist. In weiteren Verfahrensschritten wird die Abdeckung beseitigt und mit Hilfe der Maskierungstechnik und durch Diffusion die η -leitende Zone, d. h. die Emitterzone 4 und deren Randbereich 4a hergestellt. Danach werden die Kontaktelektroden aufgebracht, und schließlich wird der auf diese Weise gefertigte Schichtenaufbau noch mehreren Verfahrensschritten zur Kontaktierung von Stromleitungsanschlüssen, zur Stabilisierung der elektrischen und physikalischen Eigenschaften und zur Einkapselung unterworfen, wie sie zum bekannten Stand der Technik gehören.

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   f !./Steuerbares Halbleitergleichrichterelement mit einem einkristallinen Halbleiterkörper aus vier schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, deren eine äußere Zone als Emitterzone vorgesehen ist, deren beide äußeren Zonen je eine Kontaktelektrode fUr den Laststrom und deren an die Emitterzone angrenzende Basiszone eine Kontaktelektrode für den Steuerstrom aufweisen, dadurch gekennzeichnet,'

   daß die Emitterzone. (4) bis auf einen nicht kontaktierten Randbereich (4a), der mit der Oberfläche der angrenzenden Basiszone (3) abschließt, gegenüber dieser Oberfläche vertieft eingelassen angeordnet ist, und

   daß zwischen dem Randbereich (4a) der Emitterzone (4) und der angrenzenden Basiszone (3) ein im wesentlichen zur Oberfläche paralleler pn-Übergang besteht.
2. 2. Steuerbares Halbleitergleichrichterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich (4a) der Emitterzone (4) auf den der Steuerelektrode gegenüberliegenden Abschnitt beschränkt ist, und daß daran angrenzend die Emitterzone die Basiszone (3) vollständig bedeckt.
3. 3. Steuerbares Halbleitergleichrichterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode in die Basiszone vertieft eingelassen ist.
4. 4. Steuerbares Halbleitergleichrichterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Basiszone (3) zwischen der Steuerelektrode (15) und dem Randbereich (4a) der Emitterzone eine schlitzförmige Aussparung vorgesehen ist.

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