DE2246899C3

DE2246899C3 - Vielschicht-Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2246899C3
Application number: DE19722246899
Authority: DE
Inventors: Yoshio Hitachi Terasawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-25
Publication date: 1981-11-05
Also published as: JPS4843280A; DE2246899B2; DE2246899A1; CA971676A; JPS5619109B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vielschicht-Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs (vgl. FR-PS 14 56 274 und CH-PS 4 47 392).

Ein als Schalter einsetzbares Vielschicht-Halbleiterbauelement kann aus einem Halbleiterkörper bestehen, der vier aneinandergrenzende Schichten von abwechselnd verschiedenem Leitungstyp mit PN PN-Aufbau, ein in niederohmigem Kontakt mit den beiden äußeren Schichten stehendes Hauptelektrodenpaar und, wenn erforderlich, eine Steuerelektrode aufweist.

Es sei angenommen, daß eine Durchlaßspannung konstanter Anstiegsgeschwindigkeit an ein solches Vielschiiht-Halbleiterbauelement im AUS-Zustand angelegt w<rd. Dabei kann die Durchlaßspannung an das Vielschicht-Halbleiterbauelement ohne dessen Einschalten angelegt werden, bis seine maximale Sperrspannung erreicht wird, falls die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Duichlaßspannung v, also dv/df, klein ist. Bei steigendem Wert von dv/df (d.h. wenn dv/dt größer als die kritische Spannungssteilheit ist) kann jedoch ein unerwünschter Effekt auftreten, bei dem das Vielschicht-Halbleiterbauelement vorzeitig bei einer niedrigeren angelegten Durchlaßspannung als der maximalen Sperrspannung für dieses Bauelement eingeschaltet wird. Dieser Effekt ist insofern nachteilig, als das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements ungünstig beeinflußt wird und dieses nicht mehr für Steuerkreise verwendbar ist, da seine Einschaltsteuerung bei z. B. Vierschicht- oder Fünfschicht-Dreipol-(oder Vierpol)-Aufbau durch ein Steuersignal nicht erreicht werden kann.

Wenn daher der Wert der kritischen Spannungssteilheit des Vielschicht-Halbleiterbauelements gering ist, muß ein Kondensator zwischen den Hauptelektroden des Bauelements zum Senken der Anstiegsgeschwindigkeit der an den Hauptelektroden angelegten Durchlaßspannung angeschlossen werden, damit das Bauelement nicht vorzeitig eingeschaltet werden kann, auch wenn ein hoher Wert von dv/dt vorliegt Daher muß der Kondensator eine um so höhere Kapazität haben, je geringer die kritische Spannungssteilheit ist, woraus sich

der Nachteil ergibt, daß die Abmessungen des Bauelements groß werden. Daher sollte der Wert der kritischen Spannungssteilheit so groß wie möglich liegen; d. h, der dv/df-Effekt soll so gering wie möglich sein.

Ein bekanntes Vierschicht-Dreipol-Halbleiterbauelement (vgl. F. E. Gentry u. a. »Semiconductor Controlled Rectifiers: Principles and Applications of pnpn-Devices«, 1964, Seiten 112 bis 117) mit geringem dv/df-Effekt ist in F i g. 1 dargestellt. Dieses Bauelement hat einen Halbleiterkörper 111 mit Vierschichtaufbau, der aus abwechselnd angeordneten Schichten Pe, Nb, Pb und Ne verschiedenen Leitungstyps besteht. Die Schicht N_B ist eine N-Basisschicht. Die Schichten Pe und Pb sind eine P-Emitterschicht und eine P-Basisschicht, die an entgegengesetzten Seiten der N-Basisschicht Nb so angeordnet sind, daß ein erster und ein zweiter PN-Übergang /1 bzw. J₂ zwischen diesen und der N-Basisschicht Na gebildet werden. Die Schicht Ne ist eine N-Emitterschicht, die in die P-Basisschicht P_B eingebettet ist und deren Oberfläche so frei liegt, daß sich ein dritter PN-Übergang /3 zwischen dieser und der P-Basisschicht Pb bildet. Eine Anode 112 und eine Kathode 113 sind mit niederohmigem Kontakt an der Oberfläche der P-Emitterschicht Ρε bzw. der N-Emitterschicht Ne angebracht. Eine Steuerelektrode 114 ist an der Oberfläche der P-Basisschicht P_B vorgesehen, und eir Widerstand 115 ist zwischen der Kathode 113 und der Steuerelektrode 114 angeschlossen.

Wenn bei dem Thyristor mit diesem Aufbau eine Spannung, die ein positives Potential an der Anode 112 gegenüber der Kathode 113 liefert, d. h. eine Durchlaßspannung für den Thyristor zwischen der Anode 112 und der Kathode 113 angelegt und ihr Wert nach und nach gesteigert wird, wird der zweite PN-Übergang /2 in Sperrichtung vorgespannt, und die Breite der Verarmungsschichten an den entgegengesetzten Seiten dieses PN-Überganges Jj wächst, wodurch ein Verschiebungsstrom erzeugt wird. Dieser Verschiebungsstrom wächst proportional dem Anstieg von dv/df. Weiter steigt mit anwachsender Durchlaßspannung auch der Sperrstrom, der durch den zweiten PN-Übergang /2 fließt. Der Verschiebungsstrom und der Sperrstrom bewirken eine Vorspannung des dritten PN-Überganges /3 in Durchlaßrichtung, wodurch eine Injektion von Ladungsträgern induziert wird.

Das Ausmaß, in dem der dritte PN-Übergang /3 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, ist am größten in den Umfangsteilen der N-Emitterschicht yVf-aufgrunddes konzentrierten Nachschubs des Verschiebungsstroms und Sperrstroms von der Zone der P-Basisschicht Pb, die die N-Emitterschicht Ne in Stapelrichtung der Schichten nicht überdeckt. Infolgedessen bewirkt der hohe Wert von dv/df eine Einschaltung an den

Umfangsteilen der N-Emitterschicht Ne, wodurch sich ein Fehlbetrieb des Bauelements ergibt

Der Anschluß eines Widerstandes 115 zwischen der Kathode 113 und der Steuerelektrode 114 bei dieser Anordnung führt in gewissem Grade zur Unterdrükkung des Fehlbetriebes des Bauelements, da der Verschiebungsstrom und der Sperrsirom, die in der Nachbarschaft der Steuerlektrode 114 fließen, durch die Steuerelektrode 114 und den Widerstand 115 zur Kathode 113 geleitet werden, wodurch die Geschwindigkeit sinkt, mit der der dritte PN-Übergang Jz in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Dabei fließt ein um so größerer Betrag des Verschiebungsstroms und des Sperrstroms durch den Widerstand 115 in die Kathode 113, und ein um so größeres Unterdrücken des Fehlbetriebs des Bauelements läßt sich erzielen, je geringer der Widerstandswert des Widerstands 115 ist. Doch ist die Anordnung des Widerstandes 115 mit einem geringen Widerstcndswert insofern nachteilig, als dann ein starker Steuersignalstrom zum Einschalten der Anordnung erforderlich ist, da der Steuersignalstrom ebenfalls durch den Widerstand 115 fließt. Der Widerstand 115 führt darüber hinaus noch zu folgenden Problemen:

1. Der Widerstand 115 muß mit der Kathode 113 und der Steuerelektrode 114 verlötet werden, was die Anzahl der Herstellungsschritte erhöht.

2. Wenn der Widerstand 115 zusammen mit dem Halbleiterbauelement in einem Gehäuse ist, wird das Volumen des Gehäuses um den zum Aufnehmen des Widerstandes 115 erforderlichen Raum größer.

3. Wenn der Widerstand außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist, muß dieses mit einer Öffnung versehen sein, um den Leitungsdraht herauszuführen, was zusätzliche Maßnahmen bei der Herstellung des Gehäuses erfordert.

Daher macht der Widerstand 115 die Herstellung des Halbleiterbauelements schwieriger und diese selbst aufwendiger.

Bei dem Vielschicht-Halbleiterbauelement der vorstehend beschriebenen Art bewirkt nicht nur die hohe Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Durchlaßspannung, sondern auch eine hohe Teinperaturanstiegsgeschwindigkeit die unerwünschte Erscheinung, bei der das Bauelement vorzeitig bei einer niedrigeren Spannung als der für das Bauelement jeweils geltenden maximalen Sperrspannung eingeschaltet wird. Dies ergibt sich daraus, daß der Temperaturanstieg des Bauelements einen Anstieg des Sperrleckstroms am zweiten PN-Übergang /2 zur Folge hat und dieser Strom in der gleichen Weise wie der Verschiebungsstrom wirkt, der auftritt, wenn die Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit d v/dfgroß ist. Wenn also ein Vielschicht-Halbleiterbauelement erhalten werden soll, das durch den Temperaturanstieg nicht ungünstig beeinträchtigt wird, ergibt sich der in der F i g. 1 dargestellte Aufbau, der allerdings die oben aufgezeigten Nachteile hat.

Bei einem Thyristor hoher Durchbruchspannung ist es üblich, einen sogenannten abgeschrägten Aufbau zu verwenden, bei dem die Seitenflächen eines Halbleiterkörpers, dessen PN-Übergänge an der Außenseite frei liegen, zur Ebene der PN-Übergänge geneigt sind, damit die Durchbruchsspannung längs der Übergangsfläche verbessert wird. Indessen führt der abgeschrägte Aufbau zu einem weiteren Anstieg der ungünstigen Wirkung des hohen Wertes von dv/dt und der hohen Temperaturanstiegs-Geschwindigkeit, wie dies oben erläutert wurde.

Aus der FR-PS 14 56 274 und aus der CH-PS 4 47 392 sind Vielschicht-Halbleiterbauelemenle bekannt, deren Aufbau der in F i g. 1 gezeigten Struktur ähnlich ist, wobei jedoch unterhalb der mit der einen Hauptelektrode über einen Widerstand verbundenen Hilfselektrode noch eine kleine Hilfszone mit dem gleichen Leitungstyp wie die an die Kathode angrenzende Schicht vorgesehen ist Damit soll der leitende Bereich am Beginn des Einschaltvorganges vergrößert werden. Mit diesem Thyristor wird wie bei dem Thyristor gemäß der F i g. 1 die kritische Spannungssteilheit erhöht ohne daß Probleme mit einer Erhöhung des Steuerstroms entstehen. Jedoch treten hier ebenfalls die mit der Herstellung des Halbleiterbauelements verbundenen Schwierigkeiten auf.

Schließlich sind aus der DE-OS 14 89 931 und der DE-OS 15 89 479 Vielschicht-Halbleiterbauelemente ähnlicher Art bekannt, bei denen die Hauptzone und die Hilfszona der obersten Halbleiterschicht nicht durch ein Widerstandselement im Halbleiterkörper verbunden sind, sondern diese beiden Zonen entweder zusammenhängend ausgebildet sind oder eine Lücke zwischen sich aufweisen, so daß die Anordnung eines Widerstandselements in einem äußeren Kreis wie nach der FR-PS 14 56 274 zu ihrer Verbindung erforderlich wäre. Die Steuerelektrode ist jeweils so an der Hilfszone angebracht, daß durch das Steuersignal nur die Hilfszone sofort gezündet wird, während das Zünden der Hauptzone erst danach erreicht wird. Der anfängliche Zündbereich ist daher klein, und die in diesen Druckschriften an sich angestrebte Verbesserung der d//dr-Kapazität wird nur ungenügend erreicht. Außerdem besteht bei Einwirkung eines höheren dv/df-Wertes die Möglichkeit eines irrtümlichen Zündens.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Vielschicht-Halbleiterbauelement anzugeben, das ein gutes dv/df-Verhalten, ein gutes d;7d/-Verhalten und eine hohe Verläßlichkeit bei hoher Temperatur aufweist und einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ermöglicht ein einfach aufgebautes Vielschicht-Halbleiterbauelement ohne äußeren Widerstand, das auch bei Temperaturschwankungen einen kleinen d v/a f-Effekt hat.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

F i g. 2 eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels bei Anwendung der Erfindung auf eine Thyristortriode,

Fig.3 einen schematischen Querschnitt 111-1II in Fig.2,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem dv/di-Effekt und dem Wert der Stärke des Stroms, der in einer Hilfszone fließt, mit dem Widerstandswert eines kleinen Widerstandselements gemäß F i g. 2 als Parameter,

F i g. 5 eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Nach F i g. 2 und 3 umfaßt ein Halbleiterkörper 1 eine N-Fmitterschicht N_E, eine P-Basisschicht Pb, eine N-Basisschicht Nb und eine P-Emitterschicht Pe- Ein erster PN-Übergang /1 wird zwischen der P-Emitterschicht Pe und der N-Basisschicht Nb gebildet. Ein zweiter PN-Übergang /2 wird zwischen der N-Basis-

schicht Nb und der P-Basisschicht Pb gebildet, und ein dritter PN-Übergang h wird zwischen der P-Basisschicht Peund der N-Emitterschicht Abgebildet.

Eine Anode 2 und eine Kathode 3 sind in niederohmigem Kontakt mit der P-Emitterschicht Pe bzw. der N-Emitterschicht Ne- Die N-Emitterschicht Ne umfaßt eine Hauptzone 11, die die Form einer Scheibe aufweist und in Kontakt mit der Kathode 3 ist, und eine Hilfszone 12, die von der Hauptzone 11 durch die P-Basisschicht Pb isoliert ist. Eine Nut 13 ist gebildet, um die N-Emitterschicht Ne in die Hauptzone 11 und die Hilfszone 12 durch die P-Basisschicht P_B zu teilen. Die Hilfszone 12 ist von ringförmiger Gestalt und umgibt die Hauptzone 11. Die Hilfszone 12 ist mit einem Leiter 14 auf ihrer Oberseite versehen. Ein Randteil der Hauptzone 11 ist in einem Bereich iia ausgeschnitten, und eine Steuerelektrode 7 liegt auf einem N-Bereich 71 über der P-Basisschicht Pb im ausgeschnittenen Bereich 11a zwischen der Hauptzone und der Hilfszone 12. Die Hauptzone 11 ist an einer von der Steuerelektrode 7 entfernten Stelle mit der Hilfszone 12 durch einen kleinen N-Bereich 15 verbunden, der als ein Widerstandselement 115 in Fig. 1 wirkt. Dieser kleine N-Bereich 15 kann einfach z. B. durch Ätzen hergestellt werden. Daher ist im Vergleich mit der Anordnung der Fig. 1, bei der das Widerstandselement 115 zwischen einer Kathode 113 und einer Elektrode 114 liegt, das erfindungsgemäße Vielschicht-Halbleiterbauelement mit kleinen Abmessungen, geringem Aufwand und einfach herstellbar.

Bei einem solchen Aufbau ist es möglich, den Einfluß des dv/di-Effektes zu verringern. Und zwar wird der Strom λ, der den Verschiebungsstrom und den Sperrstrom umfaßt, die in den Umfangsteilen des zweiten PN-Überganges h auftreten, in eine Stromkomponente h, die in die Hauptzone 11, und eine Stromkomponente /3 unterteilt, die in die Hilfszone 12 fließt. So läßt sich die Dichte des in die N-Emitterschicht Ne fließenden Stromes im Vergleich mit der vor der Unterteilung der N-Emitterschicht Ne in die Hauptzone U und die Hilfszone 12 verringern, so daß ein Einschalten der Anordnung durch den Verschiebungsstrom und den Sperrstrom im wesentlichen verhindert wird.

Es ist am günstigsten, den Widerstandswert des kleinen Bereichs 15 so zu wählen, daß die Dichte des Verschiebungsstroms und des Sperrstroms in den Umfangsteilen der Hauptzone 11 im wesentlichen der in der Hilfszone 12 gleich ist. Jedoch muß der Wider-Standswert des kleinen Bereichs 15 nicht notwendigerweise auf den Wert eingestellt werden, der die obige Beziehung zwischen den Strcmdichten in den Umfangsteilen der Hauptzone 11 und in der Hilfszone 12 ergibt sondern der kleine Bereich 15 kann irgendeinen geeigneten Widerstandswert aufweisen, vorausgesetzt, daß er zwischen der Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 liegt Dies läßt sich ohne weiteres anhand der F i g. 4 einsehen, aus der folgt daß der kleine Bereich 15 den dv/df- Effekt wesentlich verringern kann.

F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen der kritischen Spannungssteilheit der in Fig.2 und 3 gezeigten Anordnung und dem Wert des Stroms /3. der in die Hilfszone 12 fließt wenn der Widerstandswert des kleinen Bereiches 15 als Parameter genommen wird. Aus Fig.4 folgt daß das Bauelement nur den dv/di-Wert in der Größenordnung von 1200Volt/us aushalten kann, wenn die N-Emitterschicht Ne in die Hauptzone 11 und die Hilfszone 12 unterteilt ist und diese Zonen miteinander kurzgeschlossen sind (wobei dies dem Fall äquivalent ist, in dem die N-Emitterschicht Ne nicht in solchen Zonen unterteilt ist) oder diese Zonen 11 und 12 nicht miteinander verbunden sind und der Widerstandswert unendlich groß ist, während das Bauelement dv/df-Werte von 1200VoIt^s bis 3300 Voltes aushalten kann, wenn der Widerstandswert des kleinen Bereichs 15 im Bereich verschiedener Werte variiert wird. So wird durch den kleinen Bereich 15 der dv/d/-Effekt gegenüber dem vor der Unterteilung der N-Emitterschicht Λ/ε in die Hauptzone 11 und die Hilfszone 12 verringert.

Der Widerstandswert des kleinen Bereichs 15 kann anhand der Fig.4 und aufgrund des gewünschten dv/di-Effektes bestimmt werden.

Weiterhin werden aufgrund der Zwischenfügung der Steuerelektrode 7 zwischen der Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 die Teile der Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 neben der Steuerelektrode 7 zuerst durch den Steuersignalstrom eingeschaltet, und dann strömt der als Ergebnis des Einschaltens der Hilfszone 12 erzeugte Laststrom durch die gegenüberliegenden Bereiche der Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 von der Hilfszone 12 in die Hauptzone 11, wodurch die Hauptzone 11 an ihrem ganzen Umfang eingeschaltet wird. So läßt sich ein steiler Eingangsstrom-Anstieg d//d/ während des Einschaltens des Bauelements erzielen. Weiter fließt, da die Steuerelektrode 7 auf dem N-Bereich 71 über der P-Basisschicht Pe vorgesehen ist, der Steuersignalstrom von der Steuerelektrode 7 direkt oder durch die Hilfszone 12 nur dann in die Hauptzone 11, wenn eine hohe Steuersignalspannung, die den PN-Übergang zwischen dem N-Bereich 71 und der P-Basisschicht Pb durchschlägt zwischen der Steuerelektrode 7 und der Kathode 3 angelegt wird. Daher läßt sich verhindern, daß das Bauelement aufgrund einer Störspannung zwischen der Steuerelektrode 7 und der Kathode 3 eingeschaltet wird.

In Fig.2 und 3 ist die Steuerelektrode 7 auf dem N-Bereich 71 über die P-Basisschicht Pb im Raum zwischen der Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 vorgesehen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 wird die Erfindung ebenfalls auf eine Thyristortriode angewendet und gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile wie in F i g. 2 und 3. Im Thyristor nach Fig.5 umfaßt eine N-Emitterschicht N_E ähnlich der nach Fig.3 eine Hauptzone II von im wesentlichen Scheibenform und eine bogenförmige Hilfszone 12 gegenüber der Hauptzone Il auf einem Teil einer P-Basisschicht Pb- Ein Umfangsteil der Hauptzone 11 hat einen ausgeschnittenen Bereich 11a und eine Steuerelektrode 7 ist wie in F i g. 2 und 3 im ausgeschnittenen Bereich 11a zwischen der Hilfszone 12 und der Hauptzone 11 angeordnet Die Hauptzone 11 ist mit den entgegengesetzten Enden der Hilfszone 12 über zwei kleine N-Bereiche 15 verbunden.

Wenn die Betriebsfrequenz relativ niedrig ist und eine starke Thyristorstromkapazität benötigt wird, wird die Bogenlänge der Hilfszone 12 gegenüber der Hauptzone 11 verkürzt um den Leitquerschnitt des Übergangs entsprechend F i g. 5 zu steigern. Auch in einem solchen Fall wächst der den Verschiebungsstrom und den Sperrstrom umfassende Strom im Teil der Hauptzone

f>5 11 in der Nachbarschaft des P-Basisschichtteils, der zur Anbringung der Hilfszone 12 und der Steuerelektrode 7 frei liegt und es ergibt sich eine unerwünschte Vergrößerung des dv/df-Effektes. Die Verbindung der

Hauptzone 11 und der Hilfszone 12 untereinander durch die kleinen N-Bereiche 15 mit einem bestimmten Seitenwiderstand ist insofern vorteilhaft, als so eine unerwünschte Vergrößerung des df/df-Effektes wirksam verhindert werden kann, wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist.

Oben wurde die Erfindung anhand von Vierschicht-Zweipol bzw. -Dreipol-Halbleiterbauelementen beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Erfindung auch für Fünfschicht-Zweipol- und Fünfschicht-Dreipol-Halbleiterbauelemente anwendbar ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vielschicht-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einem Paar von Hauptoberflächen an den entgegengesetzten Enden und mit einer Anzahl von mindestens vier, zwischen den Hauptoberflächen so angeordneten Schichten, daß aneinander angrenzende Schichten von verschiedenem Leitungstyp sind, und einem Paar von in niederohmigem Kontakt an den Hauptoberfiächen angebrachten Hauptelektroden, wobei die oberste Schicht des Halbleiterkörpers eine Hauptzone in Berührung mit der einen Hauptelektrode und eine Hilfszone aufweist, die mit Abstand von der Hauptzone und ohne Berührung mit der Hauptelektrode angeordnet und gegenüber der Hauptzone durch eine an die oberste Schicht angrenzende Zwischenschicht isoliert ist, wobei die Hauptzone mit der Hilfszone durch ein Widerstandselement verbunden ist und wobei an der an die oberste Schicht angrenzenden Zwischenschicht eine Steuerelektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,

daß das Widerstandselement durch mindestens einen an einer Stelle des Abstandsgebietes zwischen der Hauptzone (11) und der Hilfszone (12) angeordneten kleinen Bereich (15) mit dem gleichen Leitungstyp wie dem der obersten Schicht (Ne) gebildet ist und

daß die Steuerelektrode (7) auf einem Halbleiterbereich (71) mit dem gleichen Leitungstyp wie dem der obersten Schicht (Ne) angeordnet ist, der zwischen der Hauptzone (11) und der Hilfszone (12) mit Abstand von dem das Widerstandselement bildenden kleinen Bereich (15) vorgesehen ist.