DE2329398B2 - In Ruckwartsrichtung leitendes Thyristorbauelement - Google Patents
In Ruckwartsrichtung leitendes ThyristorbauelementInfo
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Description
zugleich weitgehend die Vorteile von in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristorbauelementen herkömmlichen
Aufbaus mit kurzgeschlossenem Emitter beibehalten werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Thyristorbauelement der eingangs beschriebenen Art eruidungsgemäß
dadurch gelöst, daß ein Elektrodenteil auf der Thyristoreinheit und ein Elektrodenteil auf der Diodeneinheit
vorgesehen sind, wobei beide Elektrodenteiie voneinander beabstandet sind und gemeinsam die 1»
zweite Hauptelektrode bilden, daß zwischen der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit eine Nut
vorgesehen ist, die den in der Diodeneinheit enthaltenen pn-Ubergang von dem in der Thyristoreinheit enthaltenen
mittleren pn-Übergang trennt und daß der r>
Elektrodenteil auf der Thyristoreinheit Fenster aufweist, in denen die Enden von sich durch die
benachbarte Emitterschicht erstreckenden Teilen der an diese Emiitterschicht angrenzenden Basisschicht freiliegen.
:o
Mit dem erfindungsgemäQ aufgebauten Thyristorbauelement
wird eine Verringerung der Sperrspannung in Vorwärtsrichtung infolge der Kommutierung des
Laststromes sicher vermieden. Das Thyristorbauelement hält hohen Werten von Einschaltstromänderun- 2;
gen und Einschaltstromstößen stand und weist bei höheren Temperaturen nur eine geringe Abnahme der
Sperrspannung in Vorwärtsrichtung auf. Weiter kann mit dem erfindungsgemäßen Thyristorbauelement die
Sperrspannung in Vorwärtsrichtung bei Verringerung des Spannungsabfalls in Vorwärtsrichtung vergrößert
werden. Die Thyristorbauelemente sind einfach für hohe Durchbruchspannungen und Ströme herzustellen.
Zweckmäßige Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 6 r>
hervor.
Ausfühirungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden im Vergleich zum Stande der Technik näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt w
Fig. 1 ein gemäß bekannten Prinzipien aufgebautes,
in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement in einer teilweisen Perspektivansicht und zum Teil im
Schnitt,
Fig.2 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung r>
ein in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement in einer teilweisen Perspektivansicht und zum Teil
im Schnitt,
Fig.3 einen Bereich des in Fig. 2 dargestellten
Bauelements in einer vergrößerten Perspektivansicht ">o und zum Teil im Schnitt und
F i g. 4 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 2 einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. 1 ist ein in Rückwärts- oder Spen iohtung
leitendes Thyristorbauelement oder eine Thyristorein- v>
richtung herkömmlichen Aufbaus gezeigt und generell mit lflü bezeichnet. Diese Thyristoreinrichtung enthält
eine Siliciumscheibe, die generell mit IQ bezeichnet ist.
Die Siliciumscheibe IQ enthält eine Basisschicht 12 vom η-Typ, eine auf einer Oberfläche, in diesem Fall der w>
unteren Oberfläche, bei Betrachtung der Fig.! der Basisschicht 12 des η-Typs liegende Basisschicht 14 vom
η+-Typ und eine Basisschicht 16 vom ρ+-Typ, die auf
der anderen bzw. oberen Fläche der Basisschicht 12 zur Bildung eines pn-Übergangs 18 zwischen den betreffen- <
>'> den Schichten vorgesehen ist. Die Basisschicht 14 vom n+-Typ weist auf ihrem mittleren Teil einen mittleren
Anoden-Emitter-Bereich vom p+-Typ in Form einer Scheibe und eine Vielzahl, in diesem Fall zwei
ringförmige Anoden-Emitter-Bereiche vom p + -Typ auf,
die den mittleren Emilterbereich konzentrisch umgeben.
Diese Anoden-Emitter-Bereiche sind mit 20 bezeichnet; sie bilden individuelle pn-Übergänge 22
zwischen sich und der Basisschicht 14 vom η+ -Typ; die freiliegende Oberfläche der betreffenden Bereiche ist
von den freiliegenden Oberflächenbereichen der Basisschicht 14 umgeben. In entsprechender Weise weist die
Basisschicht 16 vom p+-Typ in ihrem mittleren Bereich eine Vielzahl, die im vorliegenden Fall drei beträgt, von
Kathoden-Emitter-Bereichen 24 des ρ+ -Typs in der Form von konzentrischen Ringen auf, wodurch
zwischen den betreffenden Bereichen individuelle pn-Übergänge 26 gebildet sind. Die Emitterbereiche 24
sind mit ihren freiliegenden Oberflächen von freiliegenden Oberflächenteilen der Basisschicht 16 des ρ+ -Typs
umgeben.
Zwei Hauptelektroden befinden sich in ohmschem Kontakt mit den gegenüberliegenden Hauptseiien der
Siliciumscheibe 10. Dabei ist insbesondere eine Anodenelektrode 28 in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht
14 des η+ -Typs und den Anoden-Emitter-Bereichen 20 des p+-Typs, um die pn-Übergänge 22 zwischen den
Anoden-Emitter-Bereichen 20 und der Basisschicht 14 teilweise kurzzuschließen; demgegenüber ist eine eine
Mittelöffnung aufweisende Kathodenelektrode 30 in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht 16 des ρ + -Typs
und den Kathoden-Emitter-Bereichen 24 des η+ -Typs,
um die pn-Übergänge 26 teilweise kurzzuschließen. In
der Mittelöffnung der Kathodenelektrode 30 befindet sich eine Steuerelektrode 32, die in ohmschem Kontakt
mit der Basisschicht 16 des ρ+ -Typs ist.
Es dürfte somit ersichtlich sein, daß bei der Anordnung gemäß F i g. 1 in ihrem mit A bezeichneten
mittleren Bereich eine Thyristoreinheit gebildet ist, die einen Vier-Schichten-Aufbau und einen Kurzschluß-Emitter-Aufbau
besitzt, wobei an dem Randbereich dieser Einheit eine Diodeneinheit mit einem pn-Übergang
vorgesehen ist, der aus der Verlängerung des pn-Öbergangs 18 zwischen den Basisschichten 12 und 16
gebildet ist. Die Thyristoreinheit und die Diodeneinheit sind generell mit 50 bzw. 60 bezeichnet.
Das in Fig. i dargestellte, in Sperrichtung leitende
Thyristorbauelement IQQ. spricht auf eine mit einer solchen Polarität ihr zugeführten Hauptspannung an,
daß die Anodenelektrode 28 auf einem höheren Potential liegt als die Kathodenelektrode 30, wobei zwei
Zustände möglich sind, bei deren einem der resultierende Hauptstrom gesperrt und bei deren anderem ein
Stromfluß ermöglicht ist. Demgemäß wird das Thyristorbauelement gemäß Fig. 1 als Schaltereinrichtung
verwendet.
Wird demgegenüber eine Spannung mit einer Polarität, die entgegengesetzt ist zu der gerade
erwähnten Polarität, an das Thyristorbauelement 100 angelegt, so ist der pn-übergang 18 in Durchlaßrichtung
vorgespannt, wodurch ein hoher Durchlaßstrora sowohl
durch die Diodeneinheit 60 ate auch durch die Thyristoreinheit 50 fließen kann.
Somit könnte ein einziges Thyristorbauelement, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, eingesetzt werden für eine
Kombination eines gesonderten Thyristors und einer diesem parallelgeschalteten Diode mit entgegengesetzter
Leitfähigkeitsrichtung. Die Anwendung derartiger in Rückwärtsrichtung leitender Thyristoreinrichtungen in
Wechselrichtern und/oder Zerhackerschaltungen ist von Nutzen im Hinblick auf die Beseitigung von
nachteiligen Auswirkungen, die aus der Streuinduktivität und dgl. auf Grund der Verdrahtung resultieren.
Das in Ki g. 1 dargestellte Thyristorbauelement weist
jedoch mehrere Nachteile auf. So kann z. B. das Vorwärts-Sperr-Vcrmögen mit Fließen eines hohen
Stromes durch die Diodeneinheit 60 und den Emitter-Kurzschlußteil der Basisschicht sowohl auf der Anodenseite
als auch auf der Kathodenseite der Thyristoreinheit 50 aus folgenden Gründen verloren gehen: Das
Fließen eines hohen Stromes durch die Diodeneinheit und jene Emitter-Kurzschlußbereiche bewirkt eine
übermäßige Ansammlung der Ladungsträger sowohl in der Basisschicht 16 des ρ+-Typs als auch in der
Basisschicht 12 des η-Typs, und sodann werden die angesammelten Träger seitlich durch die Basisschichten
16,12 und 14 der Thyristoreinheit 50 bewegt. Wird unter
diesen Umständen eine an das Thyristorbauelement 100 angelegte Spannung plötzlich in ihrer Polarität umgekehrt,
so kann die Thyristoreinheit 50 einen Durchbruch bei einer niedrigen Spannung erfahren, und zwar auf
Grund des Einflusses der zuvor erwähnten seitlichen Bewegung bzw. Verschiebung der Ladungsträger. Dies
führt zu dem Verlust des Vorwärts-Sperr-Vermögens. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bisher die
Praxis gewesen, den die Diodeneinheit durchfließenden Strom auf einer gewissen Höhe zu begrenzen oder die
Änderungsgeschwindigkeit des Diodenstromes ( — d/Vdf,)abzusenken. Daher sind bisher mit dem Aufbau
und der Herstellung von in Sperrichtung leitenden Thyristoren verschiedene Schwierigkeiten verbunden
gewesen. Um z. B. die Diffusion der Minor'.tätsträger von der Diodeneinheit zu der Thyristoreinheit zu
unterbrechen, wurde die Thyristoreinheit 50 mit einer Zwischenzone versehen, in welche eine große Menge
eines die Rekombination der Ladungsträger bewirkenden Mittels, wie Gold, diffundiert ist. Auf diese Weise
wird verhindert, daß übermäßig viele Träger in die Thyristoreinheit 50 fließen. Im Unterschied dazu kann
derjenige Teil der Hauptelektrode, der mit der Diodeneinheit in ohmschem Kontakt ist, von dem
ohmschen Kontakt mit der Thyristoreinheit getrennt werden, um eine Zwischenzone zu bilden. In diesem Fall
geht dann die Verhinderung eines derartigen Fließens übermäßig vieler Ladungsträger auf den Widerstandseffekt
zurück, der durch die Halbleiterschichten auf Grund dieser Zwischenzone ausgeübt wird. Der Vorgang des
selektiven Diffundierens eines die Rekombination der Ladungsträger fördernden Mittels in die Zwischenzone
allein bringt nun nicht nur komplizierte Verfahrensschritte mit sich, sondern hierdurch sind insbesondere
Befürchtungen hinsichtlich eines Anstiegs des Durchlaßspannungsabfalls hervorgerufen. Bei jeder der oben
beschriebenen Maßnahmen ist es praktisch kaum möglich gewesen, die Auswirkung von in der Thyristoreinheit
50 gebildeten kleinen Diodenbereichen zu vermeiden, d. h. die Auswirkungen der Dioden, die
durch Kurzschließen der Emitter-Grenzschichten auf den Anoden- und Kathodenseiten der Thyristoreinheit
gebildet sind.
Die in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristorbauelemente des herkömmlichen Aufbaus zeigen ein bedeutsames
Problem hinsichtlich des Kurzschließens ihrer Emitter-Grenzschichten. Bei höheren Temperaturen
oder bei höheren Anstiegsgeschwindigkeiten der Durchlaßspannung dient die kurzgeschlossene Emitteranordnung
dazu, die Ausschaltzeit zu verkürzen, wodurch das Vorwärts-Sperr-Vermögen vergrößert
wird. Hierbei ist jedoch von Nachteil, daß die F.mitterfunktion behindert ist, da nämlich der Emitterbe
reich mit der benachbarten Basisschicht auf de Oberfläche ihrer Grenzschicht durch die zugehörig«
Elektrode kurzgeschlossen ist. Insbesondere bei einem in den leitenden Zustand geführten Thyristorbauelement
nimmt die Hauptelektrode die in der Basisschich zu sammelnden überschüssigen Ladungsträger in de
Nähe des Emitterkurzschlußbereiches auf. Dies führt zu einer Absenkung der Ladungsträgerkonzentration, die
ίο für die Ausbreitung des Einschaltplasmas erforderlich
ist. Demgemäß wird die maximale Anstiegsgeschwin digkeit eines Laststromes ai/dt, dem Thyristoren zu
widerstehen vermögen, ungünstig beeinflußt
Der Kurzschluß der Emittergrenzschicht bewirk ferner eine Verringerung einer an die Grenzschich
angelegten Spannung, wobei insbesondere bei hohen Stromwerlen, wie bei Stromstößen, der Durchlaßspan
nungsabfall an den Thyristoren im Vergleich zu jenen Thyristoren hoch wird, deren Emittergrenzschicht nich
kurzgeschlossen ist. Diese Nachteile sind bei in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristoren, wie sie in
F i g. 1 gezeigt ist, beachtlich gewesen, bei denen die Emitterübergänge auf der jeweiligen Anoden- und
Kathodenseite kurzgeschlossen sind.
Im folgenden ist auf F i g. 2 Bezug genommen, in de entsprechende Bezugszeichen mit einem nachfolgenden
Buchstaben »a« verwendet sind, um in F i g. 1 vorgese henen Teilen entsprechende Teile zu bezeichnen. Dabe
ist in Fig.2 die eine Hälfte eines als erste
■ίο Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellten,
in Sperrichtung leitenden Thyristorbauelements mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt, wobei das
betreffende Thyristorbauelement längs einer diametral verlaufenden Ebene axial geteilt ist. Die dargestellt
Anordnung weist ein kreisförmiges Plättchen aus Silicium auf, und zwar enthaltend eine Substratschich
des p-Typs, die eine Basisschicht 12a des p-Typs bildet eine Basisschicht 14a des n+-Typs auf der einer
Oberfläche (bei Betrachtung der F i g. 2 auf der unterer Oberfläche) der Basisschicht 12a des p-Typs, und zwa
zwecks Bildung eines pn-Übergangs 18a zwischen der betreffenden Schichten, und eine auf der anderen bzw
oberen Fläche der Basisschicht 12a des p-Typ befindliche Basisschicht 16a des p+-Typs. Die Basis
schicht 14a des η+ -Typs ist dadurch gebildet, daß eir η-Leitfähigkeit verursachender Fremdstoff in hohe
Konzentration von der einen (unteren) Oberfläche de betreffenden Halbleiterscheibe 10a eingebracht wird
Demgegenüber wird die Basisschicht 16a des p+-Typ.
dadurch gebildet, daß eine p-Leitfähigkeit verursachen
der Fremdstoff in hoher Konzentration von der anderer (oberen) Seite der Halbleiterscheibe eingebracht wird.
Sodann wird eine selektive Diffusionstechnik ange wandt, um einen Fremdstoff des p-Typs in die
Basisschicht des η+-Typs in dem mittleren Teil de relativ großen Bereiches in hoher Konzentrator
einzubringen, um dadurch eine Anoden-Emitter-Schich 20a des p+-Typs in Form einer Scheibe zu bilden, di<
eine bestimmte Anzahl von kleinen »Fenstern« 3*
t>o enthält, die von dem Material der Basisschicht 16a de
p+-Typs eingenommen werden, und zwar nach erfolg ter Ausdehnung durch die Emitterschicht 20a hindurcr
wobei die Fenster 34 in bestimmten, nahezu gleichei Winkelabständen und äquidistant von der Mittelachs
t'5 der Halbleiterscheibe 10a entfernt angeordnet sind.
Zwischen der Basisschicht 14a des η+ -Typs und de
Emitterschicht 20a des p+-Typs ist ein pn-übergang 22 gebildet, in entsprechender Weise wird ein Frcmdstol
des η-Typs in hoher Konzentration in die Basisschicht 16a des p4-Typs, um cine Kalhoden-Emittcr-Schicht
24a des η+-Typs in der Form eines kreisförmigen
konzentrischen Ringes in der Halbleiterscheibe zu bilden sowie ein kleines »Fenster« 36, welches in axialer
Richtung zu den Fenstern 34 auf der Dasisschicht 20a des n + Typs jeweils ausgerichtet ist. Das Material der
Basisschicht 16a des p+-Typs ist durch Fenster 36 freigelegt, die in der Kathodcn-Emilter-Schicht 24a
gebildet sind. Zwischen der Basisschicht 16a des p4-Typs und der Kalhoden-Emitter-Schicht 24a des
η + -Typs ist ein pn-übergang 26a gebildet.
Die drei pn-Übergänge 18a, 22a und 26a bilden einen mittleren pn-übergang, an den eine Vorwärts-Sperrspannung
angelegt wird, einen Anoden-Emilter-Übergang bzw. einen Kathoden-Emitter-Übergang. Der
Übergang 18a kann zuweilen als »Zwischenübergang« bezeichnet werden.
Die Emitterschicht 20a des n+-Typs und die Basisschicht 14a des n+-Typs weisen sehr hohe
Fremdstoff- bzw. Fremdatomkonzentrationen auf der Oberfläche auf. Die Werte der betreffenden Fremdatomkonzentrationen
liegen vorzugsweise in der Größenordnung von 1 · 1020 bzw. 5 · 1019 Atomen pro
Kubikzentimeter. In entsprechender Weise weisen der Emitterbereich 24a des η+-Typs und die Basisschicht
16a des ρ4-Typs eine Fremdatomkonzentration von
etwa 5 - IO20 bzw. 5 ■ 1019 Atomen pro Kubikzentimeter
auf. Jene stark dotierten Schichten weisen dabei Fremdatomkonzentrationen auf, die von maximalen
Werten auf den Oberflächen der betreffenden Schichten aus mit zunehmender Tiefe abnehmen. Somit bilden in
den Fenstern 34 auf der Basisschicht 14a des η+ -Typs vorgesehene Bereiche des Anoden-Emitter-Übergangs
und jene Bereiche des Kathoden-Emitter-Üb'ergangs, die in den Fenstern 36 auf der Basisschicht 16a des
p+-Typs liegen, entartete pn-Übergänge, die Nebenschlußwege bezüglich der Emitterübergänge bereitstellen,
durch die ein Tunnelstrom oder ein Rekombinationsstrom bei niedrigen Spannungen fließen kann.
Wie in F i g. 2 dargestellt, weist die Halbleiterscheibe IQa eine metallische Tragscheibe 40 auf, die an der
Unterseite der Halbleiterscheibe über eine Schicht 28a aus irgendeinem geeigneten Hartlötmaterial befestigt
ist. Die betreffende Schicht 28a weist eine Vielzahl von kreisförmigen öffnungen auf, deren jede zu einem
anderen Fenster der Fenster 34 in der Basisschicht 14a des η+-Typs ausgerichtet ist. Die betreffenden Öffnungen
besitzen dabei einen etwas größeren Durchmesser als die Fenster. Somit kann derjenige Teil der
Anoden-Emitter-Schicht 20a, der neben dem jeweiligen Fenster 34 liegt, und derjenige Teil der Basisschicht 14a
des η+ -Typs, der in dem Fenster 34 liegt, durch die zugehörige Öffnung der Hartlötschicht 28 gewissermaßen
»betrachtet« werden. Die Hartlötschicht 28 dient als Anodenelektrode. Die Tragscheibe 40 besteht
vorzugsweise aus Molybdän; sie erstreckt sich auf der Unterseite der Halbleiterscheibe 10a.
Mit der Kathoden-Emitter-Schicht 24a des n+-Typs ist eine metallische Kathodenelektrode 30a in Form
eines Kreisringes in ohmschem Kontakt; diese Elektrode
30a ist mit kreisförmigen öffnungen versehen, die zu den Fenstern 36 der Basisschicht 16a des ρ+-Typs
ausgerichtet sind und die einen etwas größeren Durchmesser als diese Fenster besitzen. Ferner ist eine
kleine metallische Steuerelektrode 32a in einer kreisförmigen Mittelöffnung der Kathodenelektrode 30a
vorgesehen, wobei diese Steuerelektrode 32a einen Durchmesser besitzt, der etwas kleiner ist als der
Innendurchmesser des Ringes 30a. Die Steuerelektrode befindet sich dabei mit der Basisschicht 16a des ρ i -Typs
in ohmschem Kontakt.
Der unterhalb der Kathodenelektrode 30a liegende Teil des Wafers 10a bildet eine Thyristoreinheit 50a mit
einer Anodenelektrode 28a und einer Kathodenelektrode 30a.
Mit dem Umfangskantenteil der Basisschicht 16a des p+-Typs befindet sich eine ringförmige metallische Elektrode 38 in ohmschem Kontakt, und zwar derart, daß sie von dem Außenumfang der Kathodenelektrode 30a um eine bestimmte Strecke in Abstand angeordnet ist. Der unterhalb der ringförmigen Elektrode 38 liegende Umfangskantenteil der Halbleiterscheibe 10a bildet eine Diodeneinheit 60a mit den Elektroden 38 und 28a.
Mit dem Umfangskantenteil der Basisschicht 16a des p+-Typs befindet sich eine ringförmige metallische Elektrode 38 in ohmschem Kontakt, und zwar derart, daß sie von dem Außenumfang der Kathodenelektrode 30a um eine bestimmte Strecke in Abstand angeordnet ist. Der unterhalb der ringförmigen Elektrode 38 liegende Umfangskantenteil der Halbleiterscheibe 10a bildet eine Diodeneinheit 60a mit den Elektroden 38 und 28a.
Die Kathodenelektrode 30a und die Diodenelektrode 38 sind zu einem einzigen Kathodenanschluß zusammengefaßt,
und zwar durch Verwendung einer externen Leitung. Die betreffende Verbindung kann dabei z. B.
dadurch hergestellt sein, daß ein von den beiden Elektroden berührter gemeinsamer Leiter vorgesehen
ist. Der somit gebildete Kathodenanschluß und die Tragscheibe 40 werden sodann in einen Hauptstromkreis
eingeschaltet, während zwischen der Steuerelektrode 32a und dem Kathodenanschluß eine Tastschaltung
angeschlossen wird.
F i g. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab eines der Fenster 36 auf der Basisschicht 16a des ρ + -Typs. Ferner
ist ein Stromweg 1\ verdeutlicht, längs dessen ein Tunnel- oder Rekombinationsstrom durch den Oberflächenbereich
des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a in dem betreffenden Fenster 36 fließt. Wenn der Strom I\
ansteigt, steigt auch der Spannungsabfall an dem unterhalb des Fensters 36 sich erstreckenden Nebenschlußweg
an, was dazu führt, daß ein Diffusionsstrom Io ansteigt, der von der Basisschicht 16a des ρ+-Typs
durch das Innere des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a fließt. Nachdem der Diffusionsstrom h auf eine gewisse
Höhe angestiegen ist, werden Elektronen von der Kathoden-Emitter-Schicht 24a in die Basisschichten 16a
und 12a injiziert, was zum Einschalten der Thyristoreinheit 50a führt. Die kreisförmige Kante des Kathoden-
Emitter-Übergangs 26a, der dem Fenster 36 gegenüber frei liegt, kann vorzugsweise einen Widerstand in der
Größenordnung von 20 Ohm pro Längeneinheit des betreffenden pn-Übergangs aufweisen. Der Durchmesser,
die Anzahl oder Dichte sowie das Verteilungsmuster der Fenster und damit der Öffnungen auf der
Elektrode sollten durch den Vorwärts-Sperrspannungswert dv/dt und die Schaltcharakteristik festgelegt
werden, die für den bestimmten Thyristor gefordert sind. Obwohl die Kathodenelektrode 30a in F i g. 2 als
acht öffnungen enthaltende Elektrode dargestellt ist,
die in weitgehend gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, dürfte somit einzusehen sein, daß
die Anzahl und Anordnung jener Öffnungen und damit der Fenster 36 von den in F i g. 1 dargestellten
Verhältnissen ausgehend verändert sein können.
Da der Widerstand des oben beschriebenen Nebenschlußweges einen negativen Temperaturkoeffizienten
bezüglich seines Widerstands innerhalb eines Arbeitstcmpcraturbercichs
besitzt, neigt dieser Ncbcnschluß-
h5 weg dazu, mit zunehmender Temperatur seinen Widerstand zu verringern. Dies führt zu einem
charakteristischen Merkmal, nämlich dazu, daß ein Kippstrom bei höheren Temperaturen ansteigt.
Die Hartlötschicht 28a, durch die die Tragplatte 40 an der Halbleiterscheibe 10a fest angebracht ist, wird dabei
durch die Anoden-Emitter-Schicht 20a des ρ'■-Typs
berührt, wobei zwischen dieser Schicht und der Hartlötschicht ein niedriger Widerstand gebildet ist. Auf
Grund der über den Fenstern 34 auf der Basisschicht 14a befindlichen öffnungen der Hartlötschicht 28a wird die
Hartlötschicht 28a jedoch nicht unmittelbar von der Basisschicht 14a des n+-Typs berührt. Die ringförmige
Kathodenelektrode 30a wird ferner von der Emitterschicht 24a des ηf-Typs berührt, wobei zwischen der
betreffenden Elektrode 30a und dem genannten Bereich ein niedriger Widerstand gebildet ist. Die ringförmige
Kathodenelektrode 30a wird jedoch nicht von der Basisschicht 16a des p+-Typs direkt berührt. Demge- '5
maß ist die Hartlötschicht 28a an und neben den Fenstern 34 mit der Basisschicht 14a des ηf-Typs
elektrisch verbunden, und zwar über Widerstände, die durch die betreffenden Nebenschlußwege dargestellt
sind. Dies trifft auch für den Fall der Kathodenelektrode » 30a zu.
Wie in F i g. 2 dargestellt, ist bei der Thyristoreinheit 50a zu dem Mittelteil der Oberfläche auf der
Kathodenseite oder auf der oberen Oberfläche bei Betrachtung der F i g. 2 ein mittlerer, einen Steuerbereich
bildender Teil der Basisschicht 16a des pf-Typs
freigelegt. Die Steuerelektrode 32a befindet sich sodann in ohmschem Kontakt mit diesem mittleren Teil der
Basisschicht 16a des p+-Typs. Bezüglich eines Teils des
Kathoden-Emitter-Übergangs 26a, der aus jenen Teilen » der Basisschicht 16a des ρ'■-Typs und der Kathoden-Emitter-Schicht
24a des η+-Typs gebildet ist, die dem Steuerbereich gegenüber frei liegen, ist ein höherer
Widerstand erforderlich als bezüglich des in den jeweiligen Fenstern 36 an die Oberfläche tretenden ->s
pn-Übergangs 26a. Zu diesem Zweck ist die Oberflächenschicht hoher Fremdatomkonzentration nahe dem
Oberflächenteil des nächstliegenden pn-Übergangs 26a beseitigt, wie durch Wegätzen der zuletzt genannten
Fläche. Auf diese Weise wird wirksam verhindert, daß *o
ein für eine Steuerelektrodenzündung erforderlicher Strom unnötig höher wird.
Wie in F i g. 2 gezeigt, ist die Thyristoreinheit 50a von der Diodeneinheit 60a über eine ringförmige Nut 70
umgeben, die einen V-förmigen Querschnitt besitzt und <s
die mit irgendeinem geeigneten elektrischen Isolationsmaterial 72, wie Glas, ausgefüllt ist. Die ringförmige
V-Nut 70 verläuft mit ihrer öffnung weitgehend in der gleichen Ebene, in der der ringförmige Zwischenraum
zwischen der kreisförmigen Kathodenelektrode 30a und so der ringförmigen Elektrode 38 liegt. Die Nut 70 endet
innerhalb der Anoden-Emitter-Schicht 20a auf deren äußerem Umfangsteil. Die betreffende Nut 70 dient
dazu, den pn-übergang 18a in einen pn-Übergang für die Thyristoreinheit 5Qa und in einen pn-Übergang für
die Diodeneinheit 60a aufzuteilen. In entsprechender Weise sind jene Teile der n+-, p- und p+-Schichten 14a,
12a bzw. 16a, die in der Diodeneinheit 60a vorgesehen sind, von den entsprechenden Schichten in der
Thyristoreinheit 5Qa durch die V-förmige Nut 70 getrennt. Die V-förmige Nut 70 dient dabei gleichzeitig
dazu, die Thyristoreinheit 5Qa zu der Kathodenelektrode 30a zu verjüngen. Dies bedeutet, daß der Umfang der
Thyristoreinheit 5Qa durch eine nach oben und nach innen geneigte Wandfläche 74 der V-förmigen Nut 70
derart begrenzt ist, daß die Querschnittsflächen der betreffenden Thyristoreinheit zu der Kathodenelektrode
30a hin allmählich abnimmt. Die andere Wandfläche 78 der Nut 70 dient dazu, den Querschnittsbereich der
Diodeneinheit 6Qa von der Tragplatte 40 aus zu der oberen ringförmigen Elektrode 38 hin mit der am
Anfang geneigten Fläche 80 der Halbleiterscheibe 10a allmählich zu verringern.
Auf Grund der Tatsache, daß die Kanten der pn-Übergänge 18a im Dioden- und Thyristorbereich zu
der geneigten Oberfläche 74, 78 und 80 hin freigelegt sind, ist die Stärke des elektrischen Feldes auf der
Oberfläche neben der freigelegten Kante des pn-Übergangs geringer als die Feldstärke in dem Bereich
unterhalb der betreffenden Oberfläche. Dies dürfte ohne weiteres einzusehen sein auf Grund des Umstandes,
daß die Schicht 14a auf der einen Seite des pn-Übergangs 18a eine höhere Fremdatomkonzentralion
besitzt, wodurch ihr spezifischer Widerstand in der Querschnittsfläche größer ist als in der Schicht 12a auf
der anderen Seite des pn-Übergangs, der eine geringere Fremdatomkonzentration und damit einen geringeren
spezifischen Widerstand besitzt. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die betreffenden Fremdatomkonzentrationensofestgelegt
worden sind, daß ein positiver Kegel erreicht wird.
Die obenerwähnte ringförmige Nut 70 kann dadurch gebildet sein, daß zunächst das zwischen der Thyristoreinheit
50a und der Diodeneinheit 60a vorgesehene Material der Halbleiterscheibe JOa entsprechend einer
V-Form, wie sie aus Fig. 2 hervorgeht, durch Sandstrahlen beseitigt wird. Sodann wird die so
gebildete Oberfläche der V-förmigen Nut 70 geätzt, wie durch die herkömmliche Oberflächenbehandlung von
pn-Übergängen. Danach wird die Nut 70 mit einem elektrischen Isolationsmaterial 72ausgefüllt.
Es hat sich gezeigt, daß als derartiges Material vorzugsweise Glas verwendet wird, obwohl auch
irgendein anderes elektrisches Isolationsmaterial verwendet werden kann. Wird Glas verwendet, so wird ein
Glaspulver in die ringförmige Nut 70 eingefüllt und auf eine oberhalb der Erweichungstemperatur des betreffenden
Glases liegende Temperatur erhitzt. Nach erfolgter Abkühlung ist das Glas an dem Halbleitermaterial
der beiden Einheiten angeschmolzen. Diese Maßnahme ist wirksam hinsichtlich der Beibehaltung
der Oberfläche neben der freigelegten Kante des pn-Übergangs sowie hinsichtlich der Isolation von der
umgebenden Luft.
Es sei bemerkt, daß die geneigte Oberfläche 80 der Diodeneinheit 60a in derselben Weise bearbeitet wird
wie die ringförmige Nut 70, und zwar zum Zwecke des Schutzes der betreffenden Oberfläche 80 vor der
Atmosphäre. Es ist aber auch möglich, hierfür einen elektrischen Isolationsüberzug zu verwenden, der
jedoch in F i g. 2 nicht gezeigt ist.
Es dürfte einzusehen sein, daß es bezüglich der ringförmigen Nut 70 mit dem V-förmigen Querschnitt
nicht erforderlich ist, daß diese Nut eine solche hinreichende Tiefe besitzt, daß sie die Halbleiterscheibe
IQa in die Thyristoreinheit 5Qa. und die Diodeneinheit
60a aufteilt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß es genügt, wenn die Nut die mittlere Schicht 12a hohen
spezifischen Widerstands aufteilt, so daß die Thyristoreinheit 5.Qa und die Diodeneinheit SQa ihre eigenen,
voneinander getrennten Teile der betreffenden Schicht enthalten. In dem zuletzt genannten Fall sind gegenseitige
Störungen der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit ziemlich gebessert, und zwar in einem solchen
Ausmaß, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden kann.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen sei bemerkt, daß die Thyristoreinheit 50a und die
Diodeneinheit 6_0a an der Träger-Molybdänplatte 40 durch die Hartlötschicht 28a fest angebracht sind und
daß die betreffenden Einheiten durch das Isolationsmaterial 72 fest miteinander verbunden sind, welches die
zwischen ihnen gebildete ringförmige Nut 70 mit dem V-förmigen Querschnitt ausfüllt. Die betreffenden
Einheiten sind dabei weitgehend elektrisch voneinander iso'iert. Die in der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit
jeweils enthaltenen Halbleiterschichten sind zunächst durchgehende Schichten im Hinblick auf die in
der jeweils anderen Einheit enthaltenen Schichten; sie werden von den jeweils anderen Schichten durch die
ringförmige Nut 70 mit dem V-förmigen Querschnitt getrennt.
Das in Fig. 2 dargestellte Thyristorbauelement wird dadurch hergestellt, daß als Ausgangsmaterial ein
Silicium-Plättchen des p-Typs verwendet wird, daß in der Halbleiterscheibe durch Anwendung eines bekannten
Diffusionsverfahrens die Basisschicht 14a des η ^ -Typs und die Basisschicht 16a des ρ f-Typs gebildet
werden und daß auf beiden Oberflächen der Halbleiterscheibe durch Anwendung von ebenfalls bekannten
selektiven Diffusionstechniken die Emitterbereiche 20a und 24a gebildet werden. Die obenerwähnten Fenster
34 und 36 werden auf beiden-Seiten der Halbleiterscheibe 10a gebildet.
Die so hergestellte Halbleiterscheibe 10a wird dann an der Träger-Molybdänplatte 40 durch die Hartlötschicht
28a befestigt. Die Nut 70 wird in der Halbleiterscheibe, z. B. durch Sandstrahlen, gebildet.
Nach der bekannten Oberflächenbehandlung wird die Nut 70 mit einem elektrischen Isolationsmaterial 72, wie
Glas, gefüllt Die Anordnung wird dann vervollständigt, indem die Elektroden 30a, 32a und 38 an die Oberfläche
der Halbleiterscheibe gegenüber der Trägerplatte 40 angebracht werden.
In Fig.4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei sind zur Bezeichnung von mit in Fig. 2 dargestellten Teilen
übereinstimmenden Teilen die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2, wobei jedoch anstelle des der
jeweiligen Zahl nachfolgenden Buchstabens »a« hier der Buchstabe »b« verwendet ist. Bei der dargestellten
Anordnung wird die Trägerschicht 126 des n-Typs enthaltende Halbleiterscheibe 106 auf einer Seite der
Basisschicht 166 des ρ+ -Typs auf der Träger-Molybdänplatte 40 abgestützt, die in der Form eines kreisförmigen
Ringes vorliegt, und zwar über eine Hartlötschicht 286. Die Steuerelektrode 32b ist dabei in der Mitte in
ohmschen Kontakt mit der Basisschicht 166 des pf-Typs; sie befindet sich innerhalb der Mittelöffnung
der ringförmigen Trägerplatte 40. Somit dient die Trägerplatte 40 als Kathodenelektrode, während die mit
der Basisschicht Hb des η+ -Typs inohmschem Kontakt
befindliche kreisförmige Elektrode 30a als Anodenelektrode dient. Die Diodenelektrode 38 befindet sich im
Gegensatz zu dem in Fig.2 Jargestellten Thyristorbauelement
in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht 146 des η+ -Typs anstelle der Basisschicht 166 des
p+-Typs. In anderer Hinsicht stimmt die Anordnung
to weitgehend mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung
überein.
Die in Fig.4 dargestellte Anordnung wird dadurch
hergestellt, daß das oben in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Verfahren wiederholt wird; eine Ausnahnie
hiervon bildet jedoch der Umstand, daß eine Halbleiterscheibe des η-Typs als Ausgangsmaterial
verwendet wird.
Um ähnliche Wirkungen hervorzubringen wie jene, die die bekannten Kurzschliiß-Emitter-Anorclnuiigen
mit sich bringen, ohne aber eine solche Anordnung /u verwenden, sind auf den Anoden- und die Kalhoden-Emitter-Schichten
in Fig. 2 und 4 Fenster vorgesehen, in denen das Material der benachbarten Basisschicht
freigelegt ist, ohne daß jedoch herkömmliche Emitterkurzschlüsse durch Elektroden angewandt werden.
Sofern erwünscht, kann eine der Anoden- und Kathoden-Emitter-Schichten derartige Fenster enthalten.
Bei der in Fig. 2 und 4 jeweils dargestellten
Bei der in Fig. 2 und 4 jeweils dargestellten
jo Anordnung ist der mittlere pn-übergang in der Thyristoreinheit kein zu dem pn-Übergang in der
Diodeneinheit durchgehender pn-Übergang, und außerdem sind die Basisschichten der Thyristoreinheit von
den entsprechenden Schichten der Diodeneinheit unterbrochen, und zwar mittels der ringförmigen Nut
70. Der Emitterbereich auf der jeweiligen Anoden- und Kathodenseite innerhalb der Thyristoreinheit ist jedoch
nicht mit der zugehörigen Basisschicht über die Hauptelektrode direkt kurzgeschlossen. Auf die Umkehr
der Vorspannung der Thyristoreinheit hin wird somit ein in Vorwärtsrichtung durch den mittleren
pn-Übergang 18a oder 186 fließender Strom veranlaßt, in RückwärtsrichUing durch die Emitterübergänge zu
fließen, wodurch eine Begrenzung durch deren Impedanz erfolgt. Damit wird der Durchlaßstrom sehr
niedrig, so daß die Ansammlung der Ladungsträger verringert wird. Bei der vorliegenden Einrichtung tritt
keine Bewegung der Träger zwischen der Diodeneinheit und der Thyristoreinheit auf, die zu der Diodeneinheit
mit entgegengesetzter Polarität parallel geschaltet ist. Dies stellt sicher, daß die vorliegende Einrichtung
nicht bei der Kommutierung ausfällt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement mit einem einzigen Tragteil, welches eine
Hauptelektrode von zwei Hauptelektroden bildet, mit einem auf dem Tragteil angeordneten Plättchen
aus Halbleitermaterial mit einem ersten Halbleiterbereich, welcher vier Halbleiterschichten wechselnden
Leitungstyps zur Bildung einer Thyristoreinheit enthält, während unmittelbar neben dem ersten
Halbleiterbereich auf dem Tragteil und parallel zu diesem ein zweiter Halbleiterbereich vorgesehen ist,
welcher zwei Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitungstyps zur Bildung einer Diodeneinheit
enthält, wobei Thyristoreinheit und Diodeneinheit antiparallel zueinander geschaltet sind, und die
zweite Hauptelektrode auf der dem Tragteil gegenüberliegenden Fläche des Plättchens vorgesehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenteil (30a, 306; auf der Thyristoreinheit
(50a. 5067 und ein Elektrodenteil (38) auf der Diodeneinheit (60a. 606) vorgesehen sind, wobei
beide Elektrodenteile (30a, 306,- 38) voneinander beabstandet sind und gemeinsam die zweite
Hauptelektrode bilden, daß zwischen der Thyristoreinheit (50a, 506,) und der Diodeneinheit (6O3, 606)
eine Nut (70, 72) vorgesehen ist, die den in der Diodeneinheit (60a. 60b) enthaltenen pn-übergang
von dem in der Thyristoreinheit (50a, 50b) enthaltenen mittleren pn-Übergang(l8a; trennt und
daß der Elektrodenteil (30a, 306^ auf der Thyristoreänheit
(50a. 506) Fenster (34,36) aufweist, in denen
die Enden von sich durch die benachbarte Emitterschicht (24a, 206; erstreckenden Teilen der an diese
Emitterschicht (24a, 206; angrenzenden Basisschicht (16a, 146;freiliegen.
2. Thyristorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang der Diodeneinheit
(60a, 606J und der mittlere pn-Übergang der Thyristoreinheit (50a. 506) zwischen einer einen
hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Schicht (12a, 126; und einer dem Tragteil (40)
näherliegenden Schicht (14a, 166; entgegengesetzten Leitungstyps und niedrigeren spezifischen
Widerstandes gebildet wird und daß die Randflächen der Nut (70, 72) eine derartige Abschrägung
aufweisen, daß die Querschnitte der Halbleiterschichten in einer von dem Tragteil (40) wegführenden
Richtung abnehmen.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinheit (60a. 606;die
Thyristoreinheit (50a, 506) über eine ringförmige Nut (70) umgibt.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (70) mit einem
elektrischen Isolationsmaterial (72) gefüllt ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (70) mit einem
elektrisch isolierenden Glas (72) gefüllt ist.
6. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenteil (30a, 306; auf der
Thyristoreinheit (5JJaSDi?; die Form einer Platte hat,
und daß der andere Elektrodenteil (38) auf der Diodeneinheit (60a. 606; ringförmig ist und den
Elektrodenteil (30a, 306) auf der Thyristoreinheit (50a. 506; unter Freilassung eines Isolationsabstands
umgibt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement mit einem einzigen
Tragteil, welches eine Hauptelektrode von zwei Hauptelektroden bildet, mit einem auf dem Tragteil
angeordneten Plättchen aus Halbleitermaterial mit einem ersten Halbleiterbereich, welcher vier Halbleiterschichten
wechselnden Leitungstyps zur Bildung einer Thyristoreinheit enthält, während unmittelbar neben
dem ersten Halbleiterbereich auf dem Tragteil und parallel zu diesem ein zweiter Halbleiterbereich
vorgesehen ist, welcher zwei Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitungstyps zur Bildung einer
Diodeneinheit enthält, wobei Thyristoreinheit und Diodeneinheit antiparallel zueinander geschaltet sind,
ir> und die zweite Hauptelektrode auf der dem Tragteil
gegenüberliegenden Fläche des Plättchens vorgesehen ist.
Ein derartiges Thyristorbauelement ist beispielsweise durch die DE-OS 17 64 791 bekanntgeworden. Das dort
gezeigte Thyristorbauelement hat einen Thyristorteil mit pnpn-Vierschichtaufbau und einen Diodenteil mit
pnn+-Dreischichtaufbau in Antiparallelschaltung innerhalb eines gemeinsamen Plättchens aus halbleitendem
Material, wobei der Diodenteil den Thyristorteil umgibt.
•?r> Die beiden Hauptelektroden sind auf gegenüberliegenden
Seiten des Halbleiterplättchens angeordnet.
Durch die Zeitschrift »Proceedings IRE«, Bd.48 (I960), Nr. 11 (Nov.), Seiten 1833 bis 1841, ist ein
gemeinsames Substrat aus Halbleitermaterial bekannt-
JO geworden, in welchem ein pnpn-Schalter und eine
pnp-Kapazitätsdiode ausgebildet ist. Die Kapazitätsdiode enthält einen pn-übergang, welcher eine Kapazität
bildet und von dem Zwischen-pn-Übergang in dem pnpn-Schalter durch eine Nut getrennt ist. Der Zweck
>3 dieser Nut besteht darin, einen Kondensator parallel, jedoch getrennt von dem Zwischen-pn-Übergang im
Thyristorteil auszubilden und hierdurch einen Oszillator aufzubauen. Der Kondensatorteil hat einen dreischichtigen
pnp-Aufbau, und der Zusammenhang zwischen
*> einer Spannung über dem Diodenteil und einem Strom
hierdurch ist grundsätzlich verschieden von demjenigen für einen dreischichtigen pnn+- oder npp + -Aufbau.
Weiter hat der pnpn-Schalter keine Steuerelektrode.
Durch die US-PS 26 63 830 ist eine Halbleiterbauein-
·!■> heit mit Nut bekanntgeworden, welche jedoch keine
pnpn-Thyristoreinheit und keine pnn+- oder npp + -Diodeneinheit ist. Der Zweck der Nut besteht darin, einen
Transistor in eine Vielzahl von Transistorteilen zu trennen und hierdurch einen Darlington-Transistor
w herzustellen.
Schließlich ist durch die DE-AS 15 39 630 ein Halbleiterelement mit einer Diode und einem Thyristor
in Reihenschaltung mit einer positiven Abschrägung betreffend der Zwischen-pn-Übergänge in der Diode
s1» und dem Thyristor bekanntgeworden.
Ein weiteres bekanntes Thyristorbauelement besteht aus einer von einer Diodeneinheit in einer einzigen
Halbleiterscheibe umgebenen Thyristoreinheit, wobei zwei Elektroden in ohmschem Kontakt mit den
W) gegenüberliegenden, beiden Einheiten gemeinsamen
Seiten der Halbleiterscheibe angeordnet sind. Dieses bekannte Thyristorbauelement ist im Zusammenhang
mit F i g. 1 näher beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in
h"> Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement zu
schaffen, das einen vergrößerten Stoßstrom-Grenzwert besitzt, bei dem Störungen zwischen der Diodeneinheit
und der Thyristoreinheit vermieden sind, und bei dem
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |