DE2323592A1

DE2323592A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2323592A1
Application number: DE2323592A
Authority: DE
Inventors: Jozef Dr Cornu; Alois Dr Marek
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1973-05-10
Publication date: 1974-01-03
Also published as: US3984858A; FR2188313B1; DE2323592C2; DE7317598U; JPS4951884A; FR2188313A1

Description

43/73 Lü/Wd'

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen, das von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand umschaltbar ist, mit einer Basis genannten Zone zwischen dem zweiten und dem dritten Zonenübergang und einer Steuerzone genannten Zone zwischen dem ersten und dem zweiten Zonenübergang. Derartige Halbleiterbauelemente werden gemeinhin kurz als "Thyristor" bezeichnet.

Bekannte Thyristoren bestehen im allgemeinen aus vier Zonen, die abwechslungsweise vom n- und vom p-Leitungstyp sind. Im

309881/0768

^{2 :} 43/73

vorwärts leitenden Zustand werden die inneren Zonen, insbesondere die hochphmige Basis, mit Ladungsträgern überschwemmt. Diese Ueb er schwemmung hat zur Folge, dass nach dem Uebergang des Thyristors in den Rückwärts-Sperrzustand eine Verzögerung der Sperrfähigkeit für die wiederkehrende Vorwärtsspannung auftritt, weil die überschüssigen Ladungsträger durch Rekombination in der Basis erst abgebaut werden müssen.(vgl. z.B. Kohl, Scientia Electrica, Vol. XI, Fase. 1 (1965), S. 30/ 31). Da die Ladungsträgerdichte im überschwemmten Zustande etwa zehn e-Potenzen über der Trägerdichte im Gleichgewichtszustand liegt, wird angenommen, dass bis zum vollständigen Abbau des TragerÜberschusses durch Rekombination im Durchschnitt etwa die vier- bis zehnfache mittlere Trägerlebensdauer benötigt wird. Diese für den Trägerabbau benötigte Zeit wird Freiwerdezeit genannt.

Dem Herabsetzen der Trägerlebensdauer zwecks Verkürzung der Freiwerdezeit ist jedoch insofern eine Grenze gesetzt, als unterhalb einer kritischen Lebensdauer für eine bestimmte Basisbreite der Durchlassspannungsabfall exponentionell ansteigt Somit ist man durch Herabsetzen der Trägerlebensdauer wohl in der Lage, die Freiwerdezeit, und damit das dynamische Sperrverhalten des Thyristors zu verbessern, gleichzeitig muss man aber unterhalb einer bestimmten Grenze eine Verschlechterung des Durchlassverhaltens in Kauf nehmen.

30988170768.

• - 3 - - 43/73 -

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Gegensätzlichkeit der Forderungen zu überwinden, also die Trägerlebensdauer und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors weiter herabzusetzen, ohne dass eine Vergrösserung des Durchlassspannungsabfalls auftritt, bzw. den Durchlassspannungsabfall zu vermindern, ohne dafür eine grössere Trägerlebensdauer und damit eine grössere Freiwerdezeit in Kauf nehmen zu müssen.

, Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Easis aus mindestens drei Einzelzonen besteht, von denen die mittlere höher dotiert und erheblich dünner ist als jede der. beiden äusseren Einzelzonen, und die Dotierungskonzentrationen in den beiden äusseren Einzelzonen einander gleich und erheblich niedriger sind als in der Steuerzone.

Durch diese Massnahme ist es möglich, die Trägerlebensdauer, und damit die Freiwerdezeit eines Thyristors um das drei- bis vierfache gegenüber bekannten Anordnungen bei gleichem Durchlassspannungsabfall herabzusetzen. Andererseits ist es natürlich möglich, bei gleichbleibender Trägerlebensdauer den Durchlass spannungs ab fall zu reduzieren.

Ein Thyristor, dessen η-Basis aus einer mittleren, hochdotierten Einzelzone besteht, welche zwischen zwei niedrig n-dotierten

309881/0768

Einzelzonen liegt, ist rein schematisch zwar schon einmal veröffentlicht worden (DT-AS 1 299 766, Fig. 2). Diese Schemazeichnung vermittelt dem Fachmann jedoch in keiner Weise die durch die vorliegende Erfindung gegebene Lehre und deren Vorteile. Das gleiche gilt für die US-PS 3 538 40I₃ z.B. Fig. 19 ff.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 schematisch das Dotierungsprofil in der Basis eines mit zusätzlichen pn-Ueberg*ängen versehenen Ausführungsbeispiels und ■

Fig. 3 den Verlauf der Ladungsträgerdichte im Vorwärts-Durchlass zustand in der Basis für eine mit pn-Uebergangen versehene Basis und für eine Basis ohne diese pn-Uebergänge.

Der DurchlassSpannungsabfall in der Basis ist von der Basisbreite und der Trägerlebensdauer näherungsweise proportional zum Ausdruck exp (d/L) abhängig. Darin bedeutet d die halbe Basisbreite und L - V D . 'tg die Diffusionslänge, wobei D = Diffusionskonstante und ^ _B = Trägerlebensdauer in der Basis.

309881/0768

- 5 - 43/73

Für Jeden Wert der Basisbreite existiert ein kritischer Wert der Trägerlebensdauer, bei dessen Unterschreitung der Durchlass-Spannungsabfall in der Basis rapid ansteigt. Andererseits wird der Durchlassspannungsabfall auch wesentlich durch die minimale Trägerdichte in der Basis im Vorwärts-Durchlasszustand bestimmt , welche dem Ausdruck l/cosh(d/L) proportional ist.

In Pig. 1 ist nun ein Thyristor dargestellt, welcher einen ersten Zonenübergang 1, einen zweiten Zonenübergang 2, einen dritten Zonenübergang 3 und einen vierten Zonenübergang 4, sowie eine hoch η-dotierte (n ) Zone 5, eine p-dotierte Zone 6, eine aus den Einzelzonen 7a, 7b, 7c bestehende Basis 7» eine p-dotierte Zone 8 und eine hoch p-dotierte (p ) Zone 9 aufweist. Die mit der Kathode K versehene Zone 5 wirkt als η-Emitter, die mit der Anode A versehene Zone 9 als p-Emitter, und die mit der Steuerelektrode G versehene Zone 6 als Steuerzone. Die Breite der Basis beträgt 2d.

Gemäss Fig. 1 wird nun anstelle einer einzigen hochohmigen η-Basis eine Struktur mit drei Einzelzonen I₁, η , I^ vorgesehen, wobei i und i. je eine eigenleitende (intrinsische) und η eine mit Donatoren hochdotierte Zone darstellen. Damit beträgt die effektive Basisbreite praktisch nur noch die Hälfte des ursprünglichen Wertes, obwohl sich die Gesamtdicke des

309881/0768

- 6 - 43/73

Thyristors nur unwesentlich vergrössert. Der Grund dafür besteht darin, dass durch die Einfügung der mittleren Einzelzone 7b im Vorwärts-Durchlasszustand die Trägerdichte im Bereich dieser Einzelzone 7b angehoben wird. Die den Durchlass spannungs ab fall bestimmende minimale Trägerdichte kann jetzt näherungsweise durch l/cosh(d/2L) beschrieben werden. Bei unveränderter Trägerlebensdauer wird der Durchlass Spannungsabfall also erheblich reduziert. Andererseits kann man für einen unveränderten Durchlassspannungsabfall jetzt Lebensdauern zulassen, die 3-4 mal kleiner sind als vorher, was eine 3-4 mal kürzere Preiwerdezeit zur Folge hat. Für die dargestellte Struktur ist die elektrische Feldstärke in der sperrenden i-Zone konstant, im Gegensatz zum quasilinearen Abfall in einer üblichen hochohmigen η-Zone. Damit braucht jede der i-Zonen nur halb so dick zu sein wie die ursprüngliche n-Zone.

Von grosser Bedeutung ist auch, dass durch die geschilderten Massnahmen insbesondere der negative Winkel, unter dem der Thyristor zwecks Verbesserung des statischen Sperrverhaltens angeschrägt werden muss (vgl. z.B. US-PS 3 491 ²7² oder US-PS 3 575 644), bei gleich gutem Sperrverhalten jetzt weniger steil sein kann, so dass ein beachtlicher Gewinn an aktiver Fläche möglich ist.

309881/0768

- 7 - ; 43/73

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrug die Trägerkonzentration für die mittlere (7b) der drei Einzelzonen 10¹⁷ bis 10 cm"³, und für die beiden äusseren (7a, ?c) 10¹³ cm . Die übrigen Zonen 5j 6, 8 und 9 waren wie üblich (vgl.

■' - ' ^:- '..- j_ _i_ JwJ i UX)O ,=i,i 1 AJl ^. Λ * » V^ t_l — l

z.B. Scientxa Elect. XI (1965)23) dotiert.

Die dreischichtige Basis 7 hat den Vorteil, dass die überschüssigen Träger nur um einen halb so grossen Weg diffundieren müssen wie im bekannten Thyristor, bis sie in einer hochdotierten Zone rekombinieren können. Es wird bei konstantem Gradienten der Trägerdichte eine Verkürzung der Preiwerdezeit um den Paktor 2, und bei vernachlässigbarem Gradienten der Trägerdichte um den Paktor 4 erreicht, da für den zurückgelegten Weg d eines Trägers in der Zeit t gilt: d ~· /ti

Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel können in den beiden schwach dotierten Einzelzonen 7a, 7b pn-Uebergänze .1 . „1₂ vorgesehen sein, die in Pice. I gestrichelt angedeutet sind. Beispielsweise kann das Dotierungsprofil dann die in Fig. 2 gezeigte Gestalt haben. Dabei sind in positiver Ordinatenrichtung die Konzentration der Donatoren N_n und in negativer Ordinatenrichtung die Konzentration der Akzeptoren N. in Abhängigkeit von der Basisbreite χ aufgetragen. Mit der Basisstruktur nach Fig. 2 lässt sich eine weitere Erhöhung der minimalen Träger-

309881/0768

- 8 - 43/73

dichte in der Basis im Durchlasszustand, und damit eine weitere Verminderung des Durchlassspannungsabfalls erzielen.

Fig. 3 zeigt die Trägerdichte in der Basis des vorwärts leitenden Thyristors in Abhängigkeit von der Basisbreite χ ohne pn-Uebergänge (ausgezogene Linie) und mit pn-Uebergangen (gestrichelte Linie). Wie ersichtlich,weist die Verteilung der Trägerdichte ein Maximum im Bereich der mittleren Einzelzone 7b, und gemäss der gestrichelten Linie dann auch im Beneich der pn-Uebergänge j, und J₂ auf.

Die pn-Uebergänge j,, Jp müssen relativ dünn ausgeführt sein, um das Einschalten des Thyristors nicht zu behindern. Die Uebergänge j', j" können z.B. durch eine Erhöhung der n-Dotierung

17 -3 auf einer Dicke von etwa 10 Mikron auf etwa 10 cm , und eine gleich daran anschliessende p-Dotierung auf etwa derselben

17 -^
Dicke bei etwa 10 cm realisiert werden. Die Durehbruchspannung des Thyristors wird durch die pn-Uebergänge J₁, J₂ etwas verschlechtert.

Die dargestellten Strukturen lassen sich beispielsweise durch Epitaxie realisieren. Es ist jedoch auch möglich, bei einem Wachstum des Thyristor-Kristalls aus der Schmelze das gewünschte Dotierungsprofil durch geeignete Temperaturschritte, z.B. mittels des Peltier-Effektes, zu erzielen, derart, dass

309881/0768

- 9 - 43/73

mittels der Temperaturschritte die Wachstumsrate und damit die Dotierung beeinflusst wird (vgl. z.B.J.El.Chem.Soc. (197D1O1¹·)

Zusammengefasst ergibt die Struktur nach der Erfindung folgende Vorteile:

Bei gleichbleibender Freiwerdezeit kann die Durchlassspannung vermindert werden.

Bei gleichbleibender Durchlassspannung kann die Freiwerdezeit verkürzt werden, und zwar bis um den Paktor 4.

Di"e'Sperrspannung kann bis um 30 % erhöht werden.

Es können bei gleichbleibendem statischen Sperrverhalten kleinere Anschrägungswinkel vorgesehen werden, wodurch aktive Fläche gewonnen wird.

Bei gleichbleibendem Anschrägungswinkel kann in den p-Zonen 6, 8 ein steileres Dotierungsprofil vorgesehen werden, wodurch diese Zonen dünner gemacht werden können.

Ein Thyristor nach der Erfindung (ohne zusätzliche pn-Uebergänge j,, J) kann beispielsweise wie folgt ausgebildet sein:

Für eine maximale Sperrspannung von 2500 V hat die von der Basis 7 aufzunehmende Raumladungszone bei einer Dotierung von z.B. 10 ^X cm (das entspricht in der Praxis "Eigenleitung")der Einzelzonen 7a und 7c (und 10 cm der Einzelzone 7b) eine

309881/0768

- ¹⁰ - 1+3/7 3

Dicke von etwa 125 jum. Daher werden die Einzelzonen 7a und 7c jeweils 125 wm dick gemacht, so dass die Basis 7 insgesamt rund 250/im dick ist.

Die p-Zonen 6 und 8 sind jeweils etwa 3Ou dick.

Mit einer Lebensdauer von etwa 2 jusec in den Zonen 6₃ 7 und 8 ergibt sich mit einer Struktur nach der Erfindung dann eine Freiwerdezeit von etwa 40 iisec bei einem DurchlassSpannungsabfall von etwa -1,2 V-ibei -200 A/ cm'".

Mit einer Lebensdauer von0,5 yusec ergibt sich eine Freiwerdezeit von 10 jusec bei einem Durchlassspannungsabfall von etwa 1»8 v. Ein derartiges Element kann aufgrund seiner extrem kurzen Freiwerdezeit bei Frequenzen der Hauptspannung bis zu 50 kHz betrieben werden.

Demgegenüber hat ein übliches Halbleiterbauelement mit einer 13 —λ

mit5.10 cm dotierten η-Basis und einer aufzunehmenden Raumladungszone von 2 χ 125 ji eine Gesamtdicke der Basis von 430 μ (2 χ 125 ja plus 40 % neutrale Zone plus 80 μ Sicherheit für Ausdehnungsschwankungen). Die p-Zonen betragen beispielsweise wieder jeweils 30 Ju₃ insgesamt also βθ Ja.

Eine derartige Struktur erfordert für einen DurchlassSpannungsabfall von 1₅8 _,v eine Trägerlebensdauer von mindestens 4 usec,

309831/07S8

- 11 - 43/73

und weist, bei 125 C Betriebstemperatur, eine Freiwerdezeit von 80 jusec auf. Ein derartiges Element kann bei Frequenzen oberhalb 6.25 kHz nicht mehr betrieben werden, da es für die wiederkehrende Vorwärtsspannung noch nicht wieder sperrbereit ist.

309881/07G8

Claims

Patentansprüche

1.j Bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen, das von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand umschaltbar ist, mit einer Basis genannten Zone zwischen dem zweiten und dem dritten Zonenübergang und einer Steuerzone genannten Zone zwischen dem ersten und dem zweiten Zonenübergang, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (7) aus mindestens drei Einzelzonen (7a, 7b, 7c) besteht, von denen die mittlere (7b) höher dotiert und erheblich dünner ist als jede der beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c), und die Dotierungskonzentrationen (N₀) in den beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c) einander gleich und erheblich niedriger sind als in der Steuerzone (6).

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Einzelzone (7b) in einer Konzentration zwischen 10 und 10 cm ,. und die beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c) in einer Konzentration zwischen 10 und 10 cm dotiert sind.

309 8 81/0768

3- Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c) eigenleitend sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c) etwa gleich dick sind.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der beiden äusseren Einzelzonen (7a, 7c) ein pn-Uebergang (j", j_) vorgesehen ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die pn-Uebergänge (J₁, J₂) bildenden Schichten (10, 11) dünner sind als die mittlere Einzelzone (7b).

7. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer

309881/0763

maximalen Sperrspannung von 2500 V und einer Frequenz der Hauptspannung von bis 50 kHz betrieben wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den drei Einzelzonen (7a, 7b, 7c) bestehende Basis (7) mittels Epitaxie oder durch gesteuertes Kristallwachstum - »aus der Schmelze erzeugt wird.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

309881/07G9

Leerseite