DE2261666A1 - Zweirichtungs-thyristor - Google Patents
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Description
8500 Nürnberg - Wiesentalstraße 40
Telefon 09Π/37781 - Telex 06/22155
I 127206
15. Dezember 1972
Die Erfindung betrifft einen Zweirichtungs-Thyristor mit einem eine Folge
aus fUnf Übereinanderliegenden, schichtförnigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps aufweisenden Halbleiterkörper, dessen beide hochdotierte äußere Zonen gegenseitig versetzt in einer Hälfte der Fläche
der jeweils angrenzenden inneren Zone eingelassen derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt der
entsprechenden inneren Zone jeweils einen annähernd je zur Hälfte p- und η-leitenden Kontaktbereich fUr die Laststromelektrode der Schichtenfolge
bilden, und dessen an die eine äußere Zone angrenzende innere Zone wenigstens eine in vorbes.timmter Position angeordnete und in ihrer Ausbildung
dem Kontaktbereich entsprechende Steuerzone aufweist, und der mit jeweils
einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps jedes Kontaktbereichs kontaktierenden Elektrode und mit einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone kontaktierenden
Steuerelektrode versehen ist.
Derartige Bauelemente sind auch unter der Bezeichnung Triac bekannt. Ein
Ausfuhrungsbeispiel fUr den Aufbau des dafUr vorgesehenen Halbleiterkörpers
ist in Figur la schematisch im Schnitt und in Figur Ib in Draufsicht
dargestellt.
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Er weist beispielsweise eine npnpn-Schichtenfolge auf, bei welcher die
eine äußere, hochdotierte, η-leitende Zone 4 in die eine Oberflächenhälfte
der angrenzenden, p-leitenden Basiszone 2 und die andere äußere,
hochdotierte, η-leitende Zone 5 in die andere der mit denjenigen der Basiszone 2 Übereinstimmend verlaufenden Hälften der angrenzenden Basiszone 3 eingelassen angeordnet ist. Weiterhin ist diese Schichtenfolge z.B.
auf der Basiszone 2 mit einer Steuerzone 10 aus zwei symmetrisch zur Trennungslinie der Oberflächenhälften angeordneten Abschnitten unterschiedlichen
Leitfähigkeitstyps in einer derjenigen der Zonen 2 und 4 entgegengesetzten Leitfähigkeitsfolge versehen. Auf den aus den beiden
Zonen 2 und 4 bzw. 3 und 5 gebildeten Anschlußflächen ist eine Kontaktelektrode 6 bzw. 7 fUr den Laststromkreis und auf der Steuerzone 10 eine
solche 8 fUr den Steuerkreis aufgebracht. Ein solcher Aufbau stellt eine
Kombination von zwei längs der Trennungslinie der Oberflächenhälften aneinandergrenzenden,
entgegengesetzt gerichteten Thyristorsystemen mit je vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dar.
Wird bei diesem Aufbau die Kontaktelektrode 6 als Kathode und die Elektrode
7 als Anode bezeichnet, und wird weiter an die Elektroden 6 und 7 eine Spannung mit an der Anode positiverem Potential angelegt, so wird
das Durchschalten, d.h. der leitende Betriebszustand des Bauelements dadurch erreicht, daß bei gegenüber der Kathode positivem Steuerimpuls
durch Defektelektronenbewegung von der Steuerzone 10 zur Emitterzone 4 diese zur Emission angeregt wird, bzw. bei negativem Steuerimpuls durch
Defektelektronenbewegung zum hochdotierten Steuerzonenabschnitt 9 dieser, Über diesen die Basiszone 3 und Über die Basiszone 3 die Emitterzone 4
zur Emission angeregt wird. Liegt an den Elektroden 6 und 7 eine Spannung
mit an der Anode negativerem Potential an, so wird bei gegenüber der Kathode
positivem Steuerimpuls das Durchschalten durch Defektelektronenbewegung
von der Steuerzone zur Kathode sowie Emission der Basiszone 2 zur Anode und der Emitterzone 5 zur Kathode bzw. bei negativem Steuerimpuls
durch Defektelektronenbewegung zum Steuerzonenabschnitt 9 und entsprechender Emission der Zonen 2 und 5 erzielt.
"3" 2261S66
Entsprechend der beschriebenen Wirkungsweise ist in jeder Halbwelle e,iner
Anoden-Kathoden-Wechselspannung ein Funktionsbereich, d.h. die Hälfte des
Schichtenquerschnitts, mit Ladungsträgern Überschwemmt.-Ein solches in
zwei Richtungen schalt*- und steuerbares Bauelement zeigt somit unter der
Voraussetzung entsprechender Steuerung in jeder Halbwelle der Wechselspannung Durchlaßverhalten im Gegensatz zu Thyristoren, bei welchen in
der Sperrphase die aus der voraufgegangenen Durchlaßphase noch vorhandenen
Ladungsträgeranhäufungen ausgeräumt werden, um ein erneutes DurchzUnden
in gewünschter Weise Über die Steuerelektrode zu erzielen.
Ist nun bei einem solchen bekannten Aufbau der z.B. der Emitterzone 5 zugeordnete,
weiterhin als F.unktionsbereich bezeichnete Abschnitt der Schichtenfolge gezUndet und mit Ladungsträgern Überschwemmt, so diffundieren
von dort insbesondere im Gebiet der schwach dotierten Mittelzone 1 Ladungsträger nach statistischer Verteilung aufgrund' ihrer in dieser Zone
im Vergleich zu den benachbarten Zonen dotierungsbedingt höheren Diffusionslänge
in den nicht gezUndeten, der Emitterzone 4 zugeordneten Funktionsbereich. Die auf diese Weise dort entstehende Ladungsträgeransammlung
kann nach Kommutierung des leitenden Zustandes in den anderen Funktionsbereich bei entsprechendem Spannungsanstieg zu einem unerwünschten,
vorzeitigen Durchzünden ohne Steuerimpuls und damit zum Verlust der Schalt- und Steuerfähigkeit des Bauelements fuhren. Diese Erscheinung begrenzt
die kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Kommutieren von einer der beiden Durchlaßphasen zur anderen, die auch als Abkommutierungs-du/dt
bezeichnet wird, auf sehr niedrige Werte und beschränkt den Einsatz auf Anwendungsfälle mit im wesentlichen netzfrequentem Spannungsverlauf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegung von Minoritätsla- .
dungsträgern aus dem gezUndeten in den nicht gezUndeten Funktionsbereich
zu verhindern und dadurch die kritische Spannungssteilheit beim Kommutieren des leitenden Zustandes zu erhöhen.
Λ09825/0615
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Bildung von Rekombinationszentren
durch Einbau von Störstellen im Schichtenaufbau die Lebensdauer der Ladungstrtiger und damit auch ihre Diffusion innerhalb der
Schichtenfolge herabsetzt.
Die Erfindung besteht bei einem Zweirichtungs-Thyristor der eingangs erwähnten
Art darin, daß die Schichtenfolge von einem als Diffusionsbarriere dienenden Volutnenabschnitt (11) durchsetzt ist, der sich im wesentlichen
senkrecht in einer durch die Oberflächen-Halbierungslinien bestimmten Ebene erstreckt und die Schichtenfolge in zwei entgegengesetzt
gerichteten Thyristorsysteme trennt, und daß dieser Volumenabschnitt zusätzlich mit einem die Lebensdauer der Ladungstrtiger verringernden Material
dotiert ist und wenigstens im Bereich der schwachdotierten, mittleren Zone der Schichtenfolge eine Ladungsträger-Lebensdauer von weniger
als 0,1 Ajsee. aufweist.
Anhand eines in Figur 2 perspektivisch und eines in Figur 3 in Draufsicht
dargestellten Ausfuhrungsbeispiels eines Halbleiterkörpers mit einer FUnfschichtenfolge, wobei beiden Beispielen im wesentlichen der in den
Figuren la und Ib gezeigte Schichtenaufbau zugrundeliegt, werden Ausbildung
und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Bauelements aufgezeigt und erläutert. FUr gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen
gewählt.
Gemäß der Darstellung in Figur 2 weist der aus fUnf schichtförmigen Zonen
in bekannter Anordnung bestehende und vorbeschriebene Aufbau erfindungsgemäß in der Ebene längs der Trennungslinie zwischen den Leitfähigkeitsbereichen 2 und 4 und senkrecht zu den Schichtebenen einen Volumenabschnitt
11 auf, der den Aufbau vollständig durchsetzt und vorzugsweise annähernd zur Hälfte in zwei je ein Thyristorsystem darstellende Funktionsbereiche
unterteilt, und der gemäß der Erfindung zusätzlich zu den abwechselnd unterschiedliche Leitfähigkeit der Zonen bewirkenden Dotie-
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rungsstoffen noch ein Stb'rstellenmoterial enthalt, welches die Ladungsträger-Lebensdauer
verringert und insbesondere in der hochohmigen mittleren Zone 1 auf weniger als 0,1 usec. herabsetzt. Die Ausdehnung der
Diffusionsbarriere 11 in Richtung der beiden Thyristorsysteme ist wenigstens
gleich der durch dieses zusätzliche Störstellenmaterial erzielten, geringeren Diffusionslänge. Die Diffusionsbarriere kann den Schichtenaufbau
entweder zwischen den senkrecht zu den Schichtebenen verlaufenden Projektionslinien der Außenzonen 4 und 5 und damit lediglich die Zonen
1 bis 3 oder aber die Zonen 1 bis 3 und zusätzlich einen streifenförmigen
Randabschnitt der Außenzonen 4 und 5 jeweils bis zur Oberfläche durchsetzen.
Als Störstellenmaterialien sind die Metalle Gold, Platin, Eisen, Mangan,
Kupfer, Zink vorgesehen, die keinen nennenswert nachteiligen Einfluß auf
das elektrische und physikalische Verhalten des Schichtenaufbaus zeigen.
Die erforderliche Konzentration des zusätzlichen Dotierungsmaterials zur
Verringerung der Diffusionslänge der Ladungsträger ist u.a. von verschiedenen Verfahrensparametern sowie vom Halbleitermaterial und von den zur
Bildung der Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit verwendeten Dotierungsstoffen
abhängig und ist unkritisch. Vorzugsweise ist Sättigungskonzentration
vorgesehen. Es hat sich gezeigt, daß durch Diffusion von Gold in Silizium bei ca. 8800C Über etwa eine halbe Stunde eine Erhöhung der
Abkommutierungs-du/dt wenigstens um den Faktor 5 gegenüber bekannten Anordnungen
ohne Diffusionsbarriere erzielbar ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung einer Diffusionsbarriere 11 zwischen den
beiden Funktionsbereichen des Schichtenaufbaus in einer denselben ganz durchsetzenden Ausdehnung macht die Zuordnung von je einer Steuerzone zu
jedem Thyristorsystem erforderlich. Demzufolge ist der Kontaktbereichhälfte 2 die aus zwei Abschnitten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehende
Steuerzone 10a und der Kontaktbereichhälfte 4 die entsprechend ausgebildete Steuerzone 10b, jeweils beispielsweise in Form eines Kreissek-
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tors, angrenzend zugeordnet. Sie sind entweder gemäß Figur 2 mittels getrennt
vom Halbleiterkörper geführtem Bauteil, z.B. einem drahtförmigen
Verbindungsleiter, oder in vorteilhafter Weise Über eine auf einer Isolierschicht
auf der Randzone des Halbleiterkörpers aufgebrachte Leiterbahn miteinander verbunden.
Da die beiden Steuerzonen 10a und 10b in ihrer Ausbildung derjenigen des
in Figur Ib gezeigten bekannten Aufbaus entsprechen und jeweils speziell
dem durch sie zu zUndenden Funktionsbereich unmittelbar vorgelagert sind,
ist die Steuerleistung geringer als bei bekannten Anordnungen, und die Flächenausdehnung der Steuerzonen ist im wesentlichen nur durch die Querschnittsfläche
des dUnnen, drahtförmigen Anschlußleiters bestimmt. Eine Reduzierung der aktiven Gleichrichterfläche durch Anbringung von zwei
Steuerzonen ist daher praktisch nicht gegeben.
Die Wirkungsweise einer solchen erfindungsgemäßen AusfUl rungs form ist
derart, daß bei positiver Anodenspannung (an den Kontaktbereichhälften 3 und 5) und gegenüber der Kathode positivem oder negativem Steuerimpuls
die Zündung vom p- bzw. n+-leitenden Abschnitt der Steuerzone 10b ous ·.
nerhalb des dieser ..ι; geordneten Thyristorsystems eingeleitet wird durcl
Ladungsträgerbewegungen, wie sie diesbezüglich einleitend beschrieben
wurden, und daß in der darauffolgenden Halbwelle, d.h. bei negativer Anodenspannung
und gegenüber der Kathode positivem oder negativem Steuerimpuls, die Zündung vom p- bzw. n+-leitenden Abschnitt der Steuerzone 10a
aus innerhalb des anderen Thyristorsystems aufgrund der hierfür aufgezeigten
Ladungsträgerbewegungen erfolgt.
Ein Ausfuhrungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Aufbau mit nur einer
den beiden Thyristorsystemen gemeinsamen und beiden Kontaktbereichhälften 2 und 4 gemeinsam vorgelagerten Steuerzone 10 ist in Figur 3 dargestellt
und entspricht diesbezüglich dem in Figur Ib gezeigten Aufbau.
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Die Ausbildung und Unterteilung der Steuerzone TO trügt der gegenseitigen
Trennung der beiden Thyristorsysteme durch die Diffusionsbarriere Π und
der dadurch bedingten Forderung nach einer speziellen Steuerzone für jedes Thyristorsystem Rechnung. Zu diesem Zweck sind die beiden Abschnitte
unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone quer zur Diffusionsbarriere und teilweise nebeneinander verlaufend derart angeordnet, daß
jeder Abschnitt jeweils an die beiden Hälften (2 und 4) des Kotaktbereiches
angrenzt.
Die Herstellung von Halbleiterkörpern mit einer Diffusionsbarriere gemäß
der Erfindung erfolgt z.B. in der Weise, daß nach Durchführung von Oxidations-, Maskierungs- und Diffusionsprozessen bekannter Art zur Erzielung
einer Fünfschichtenfolge eine weitere Oxidation und eine Maskierung, zur
Anordnung eines den streifenförmigen Oberflächenabschnitt der Barriere bildenden Bereichs der Halbleiteroberfläche und anschließend eine Diffusion
eines der genannten Störstellenmaterialien in diesen Bereich vorgenommen wird. Beispielsweise wird Gold bei einer Temperatur zwischen 800
und 88O°C in einem Zeitraum von einer halben Stunde bis 20 Stunden eindiffundiert,
wobei jeweils dem unteren Temperaturwert die längere Diffusionszeit entspricht und umgekehrt. Danach werden auf der Oberfläche des
Halbleiterkörpers befindliche Reste an Gold und Oxid entfernt und die
Kontaktelektroden angebracht.
U 0 y b I 5 / U 6 1 5
Claims (7)
1. Zweirichtungsthyristor mit einen eine Folge aus fünf Übereinanderliegenden,
schichtförmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
aufweisenden Halbleiterkörper, dessen beide hochdotierte äußere Zonen gegenseitig versetzt in einer Hälfte der Fläche der jeweils
angrenzenden inneren Zone eingelassen derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt der entsprechenden
inneren Zone jeweils einen annähernd je zur Hälfte p- und n-leitenden
Kontaktbereich fUr die Laststromelektrode der Schichtenfolge bilden, und dessen an die eine äußere Zone angrenzende innere Zone wenigstens eine
in vorbestimmter Position angeordnete und in ihrer Ausbildung dem Kontaktbereich
entsprechende Steuerzone aufweist, und der nit jeweils einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps jedes Kontaktbereichs
kontaktierenden Elektrode und mit einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone kontaktierenden
Steuerelektrode versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtenfolge von einem als Diffusionsbarriere dienenden
Volumenabschnitt (11) durchsetzt ist, der sich im wesentlichen senkrecht
in einer durch die Oberflächen-Halbierungslinien bestimmten Ebene erstreckt und die Schichtenfolge in zwei entgegengesetzt gerichtete Thyristorsysteme
trennt, und daß dieser Volumenabschnitt zusätzlich mit einem die Lebensdauer der Ladungsträger verringernden Material dotiert
ist und wenigstens im Bereich der schwachdotierten, mittleren Zone der Schichtenfolge eine Ladungsträger-Lebensdauer von weniger als 0,1yüsec.
aufweist.
2. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Diffusionsbarriere (ii) bildende Volumenabschnitt mit einem der
Metalle Gold, Eisen, Kupfer, Mangan oder Zink dotiert ist.
3. Zweirichtungs-Thyristor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausdehnung der Diffusionsbarriere (11) in Richtung der beiden
Thyristorsysteme wenigstens gleich der Diffusionslänge der Ladungsträger
in dieser Barriere ist.
4. Zweirichtungs-Thyristor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der p- und η-leitenden Hälfte (2 bzw. 4) eine« fUr die Zuordnung von
Steuerzonen vorgesehenen Kontaktbereichs je eine Steuerzone (IQa bzw. 10b)
zugeordnet ist.
5. Zweirichtungs-Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerzonen längs der Trennungslinie der Hälften des Kontaktbereichs angeordnet sind.
6. Zweirichtungs-Thyristor nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Steuerzonen Über eine auf einer Isolierschicht von der
Randzone des Halbleiterkörpers aufgebrachte Leiterbahn miteinander verbunden
sind.
7. Zweirichtungs-Thyristor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß einem Kontaktbereich eine Steuerzone (10c) zugeordnet ist, deren beide
Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps quer zur Diffusionsbarriere (11) und teilweise nebeneinanderverlaufend derart angeordnet
sind, daß jeder Abschnitt jeweils an die beiden Hälften (2/4) des Kontaktbereichs
angrenzt. ·
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. Jo
L e e r s e
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| DE2805813A1 (de) * | 1978-02-11 | 1979-08-16 | Semikron Gleichrichterbau | Halbleiteranordnung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CH572667A5 (de) | 1976-02-13 |
| FR2210827B1 (de) | 1977-06-10 |
| AR196727A1 (es) | 1974-02-12 |
| GB1456028A (en) | 1976-11-17 |
| FR2210827A1 (de) | 1974-07-12 |
| ES419900A1 (es) | 1976-04-01 |
| BR7309788D0 (pt) | 1974-08-29 |
| IT999267B (it) | 1976-02-20 |
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