DE2400711A1

DE2400711A1 - Durch licht steuerbare halbleiterschaltung, insbesondere thyristorschaltung

Info

Publication number: DE2400711A1
Application number: DE2400711A
Authority: DE
Inventors: John S Roberts
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-01-11
Filing date: 1974-01-08
Publication date: 1974-07-18
Also published as: GB1414840A; FR2325187B1; NL7317559A; FR2325187A1; SE405910B; IT1005491B; US3832732A; JPS49108984A; CA985749A; IN139493B; BE809630A

Description

DiPL-ING. KL.AUS NEUBECKER

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

41,958 .Düsseldorf, 07.01.1974

TJestinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh/ Pennsylvania, V. St. A.

Durch Licht steuerbare Halbleiterschaltung,
insbesondere Thyristorschaltung

Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiterschaltungen und insbesondere auf Thyristoren und Wechselspannungsschalter, welche durch Lichtstrahlung gesteuert v/erden.

Thyristoren sind nicht-lineare Festkörpereinrichtungen, welche bistabil sind, d.h. sie haben einen Zustand hoher Impedanz und einen Zustand niedriger Impedanz. Im allgemeinen handelt es sich um Vier-Schicht-PNPN-Strukturen. Thyristoren v/erden üblicherweise von einem Impedanzzustand zum anderen durch ein Steuersignal geschaltet, welches an einen der Basisbereiche angelegt wird. Thyristoren können auch durch die auf die 3asisbereiche
einfallende Lichtstrahlung gesteuert werden.

Durch Licht betätigte Thyristoren sind wegen ihres guten Schalt-"Jirkungsgrades bekannt. Das einfallende Licht erzeugt Paare von Defektelektronen in der Nachbarschaft des mittleren mit Sperrspannung beaufschlagten PN-Überganges, welche nicht rekombinieren sondern durch die Übergangsstelle gelangen und den Anoden/Kathodenstro". erhöhen. Dieser Strom erhöht sich mit zunehmendem Licht, und erhöht die Stro'werStärkungen (öl ) der PHP- und NPN-Transistorersatzschaltungen derartiger Anordnungen. Falls der Photostrom

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hoch genug ist, schaltet er den Thyristor von cLeir. Zustand hoher Impedanz in den leitfähigen Zustand um.

Ein Hauptproblem bei derartigen durch Licht betätigten Thyristoren ist die schnelle Erzeugung eines ausreichenden Photonenstromes zur Steuerung der Anordnung. Bei einem herkömmlichen Vier-Schicht-Thyristor können die Basisbereiche nur an den Rändern um den Umfang des Halbleiterkörpers herum direkt durch Licht bestrahlt werden. Derartige über den Rand gezündete Anordnungen haben' daher einen sehr kleinen photoempfindlichen 3ereich, und sie weisen daher eine relativ lange Schaltzeit oder Stromanstiegszeit auf, d.h. es ist eine erhebliche Zeit zum Umschalten in den leitfähigen Zustand erforderlich. Außerdem ist die Einkapselung derartiger über den Rand gezündeter Anordnungen schwierig.

Der empfindliche Bereich ist wesentlich vergrößert und. das Einkapselungsproblem vermieden worden, indem die Basisbereiche durch den Kathoden-Emitter bestrahlt werden. Das bedeutet, daß Licht mit Wellenlängen, die sehr nahe dem Infrarotbereich und langer sind, durch den Kathoden-Emitterbereich eindringen und Paare von Defektelektronen in dem empfindlichen Bereich der Basisabschnitte erzeugen (US PS 3 590 344). Solche durch Licht betätigte Anordnungen haben verbesserte Anstiegszeiten und sind dazu verwendet worden, um Hochleistungsanordnungen ohne übermäßige Verlustleistung zu schalten. Die Lichtempfindlichkeit der Vorrichtung wird jedoch durch die Abschwächung des Lichtes herabcresetzt, wenn dieses durch die Kathoden-Emitterschicht der Anordnung gelangt. Daher könnten sogar höhere S troraanstiegs zeiten erreicht werden, wenn eine Anordnung hergestellt werden könnte, welche direkt in dem gesamten lichtempfindlichen Bereich in der Iiachbarschaft des mit Sperrspannung beaufschlagten PN-überganges bestrahlt werden könnte.

Ein Wechselspannungsschalter ist eixi zweiseitiger Thyristor. Ära häufigsten ist JLer sogenannte "triac", bei "-/eichen¹ es sich um

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einen Schalter mit drei Anschlüssen handelt, von denen einer die Steuerelektrode ist. Es handelt sich um einen HehrSchichtaufbau, dar zwei anti-parallelen Thyristoren in einem einzigen Körper entspricht. Dieses erfordert eine exakte Anordnung der Elektroden bezüglich den verschiedenen P- und N-Bereichen (vergleiche Ankrum, Semiconductor Electronics, Seiten 531, 532 (1971) ). Es ergibt sich Jas Problem der Anpassung der Anordnung, damit sie durch Licht angeregt werden kann. Darüber hinaus sind derartige Anordnungen bezüglich des Hochfreguenzverhaltens wegen der gemeinsamen Bereiche der äquivalenten Thyristoren begrenzt. Diese Bereiche müssen bei einer Halbperiode der Wechselspannung leitend und bei der anderen Halbperiode sperrend sein.

Es ist vor allem die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen durch Licht steuerbaren Thyristor oder Halbleiterschalter mit höherer Lichtempfindlichkeit zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung ist in dem Patentanspruch 1 angegeben.

Genäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann in oder für einen durch Licht steuerbaren "iechselspannungsschalter vorgesehen v/erden, daß gemäß Anspruch 1 zwei durch Licht gesteuerte laterale Thyristoren zusammen mit der Leistungsquelle und der Lichtstrahlungsquelle angeordnet werden und der durch Licht gesteuerte Wechselspannungsschalter nit inneren Kontakten versehen wird, die den zweiten Dotierungsbereich jedes Thyristors mit dem dritten Dotierungsbereich des anderen Thyristors verbinden.

Die erhöhte Lichtempfindlichkeit ergibt sich im wesentlichen dadurch, daß der gesamte lichtempfindliche Bereich in der Nachbarschaft des Sperrspannungsüberganges direkt der Lichtanregung ausgesetzt ist. Die erhöhte Lichtempfindlichkeit vermindert auch die erforderliche Intensität für die anregende Lichtquelle und vermeidet komplexe optische Systeme zum Zünden der Anordnung.

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Die ersten und vierten Dotierungsbereiche ergeben die Basisbereiche und die zweiten und dritten Dotierungsbereiche ergeben die Emitterbereiche des Thyristors. Der erste mittlere PN-Übergang zwischen den Basisbereichen hat einen geringen Oberflächengradienten der Dotierungskonzentration von weniger als etwa 1 χ 10 pro cm und vorzugsweise weniger als etwa 1 χ 10 pro cm . Dieser Gradient ist die Änderungsgeschwindigkeit der Oberflächenkonzentrationen des PN-überganges. Daher erstrecken sich die Gradienten in beiden Richtungen von dem zentralen Obergang zu den anderen PN-Übergängen, welche sich zwischen den Basis- und Emitterbereichen befinden.

Vorzugsweise haben beide Basisbereiche Konzentrationen der Ober-

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flächenempfindlichkeit zwischen etwa 2 χ 10 und 1 χ 10

pro cm und Oberflächenbreiten, welche im wesentlichen die Stromverstärkungen des äquivalenten Transistors der Anordnungen ausgleichen. Einer oder mehrere der PN-übergänge können miteinander verbunden sein und im wesentlichen lineare Segmente aufweisen, und/oder versetzt sein, um eine größere Leistung und eine gleichförmigere Stromverteilung bei einer gegebenen Größe der Anordnung zu erreichen.

Die Steuerung des Thyristors wird durch eine Lichtquelle erreicht, welche die Hauptfläche mit Steuerungslicht wenigstens an den Abschnitten der ersten und vierten Dotierungsbereiche bestrahlen kann. Dadurch werden Paare von Defektelektronen in der Nachbarschaft des ersten (mittleren) PN-überganges zwischen den ersten und vierten Dotierungsbereichen erzeugt, welche über den Übergang durch eine Sperrspannung gelangen. Im Betrieb wird daher ein Steuerstrom erzeugt, der den Thyristor von dem Sperrbetrieb in den Durchlaßbetrieb umschaltet.

Die Thyristorschaltung wird abgeschlossen durch die Leistungsquelle, welche eine Spannung mit Ohm¹sehen Widerstand zwischen den zweiten und dritten Dotierungsbereichen anlegt. Die Spannung ist in Durchlaßrichtung für die zweiten und dritten PN-übergänge

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und in Sperrichtung für den ersten mittleren PN-Übergang gepolt. Hierzu sind Metallkontakte mit dem Körper der Hauptfläche verbunden, so daß getrennte Ohm'sche Kontakte mit den zweiten und dritten Dotierungsbereichen hergestellt werden. Die Leistungsquelle wird dann im Ohm"sehen Kontakt mit den Metallkontakten durch herkömmliche Sekundärkontakte hergestellt.

Wenn in beiden Richtungen geschaltet werden soll, können zwei Thyristoren Seite an Seite in dem gleichen Halbleiterkörper untergebracht werden. Die Thyristoren können daher Rücken an Rücken durch Ohm'sche Kontakte verbunden werden, welche den zweiten Dotierungsbereich jedes Thyristors mit dem dritten Dotierungsbereich des anderen Thyristors verbinden und einen Halbleiterschalter bilden. Vorzugsweise sind die verbindenden Kontakte eben und liegen in einer dielektrischen Schicht, beispielsweise aus Siliziundioxyd, welche an die Hauptfläche angrenzt. Der durch Licht gesteuerte Wechselspannungsschalter wird in einfacher Weise hergestellt und ist sehr lichtempfindlich. Außerdem kann der durch Licht gesteuerte Schalter mit höheren Frequenzen betrieben werden als andere durch Licht gesteuerte Wechselspannungsschalter und durch Elektroden betätigte Schalter.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in welcher zeigen:

Fig.. 1 eine Aufsicht auf einen durch Licht gesteuerten lateralen Thyristor in einem Halbleiterkörper;

Fig. 2 teilweise eine Querschnittsansicht entlang den Linien II-II in Fig. 1, bei welcher die Thyristorschaltung schematisch dargestellt ist;.

Fig. 2A eine Querschnittsansicht eines durch Licht gesteuerten Leistungsthyristors nach dem Stand der Technik;

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Fig. 3 teilweise eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines durch Licht gesteuerten lateralen Thyristors;

Fig. 4 eine Aufsicht eines dritten durch Licht gesteuerten lateralen Thyristors in einem Halbleiterkörper;

Fig. 5 eine Aufsicht eines vierten durch Licht gesteuerten lateralen Thyristors in einem Halbleiterkörper;

Fig. 6 eine Aufsicht eines fünften durch Licht gesteuerten lateralen Thyristors in einem Halbleiterkörper;

Fig. 7 eine Aufsicht eines sechsten durch Licht gesteuerten lateralen Thyristors in einem Halbleiterkörper;

Fig. 8 eine Aufsicht eines durch Licht gesteuerten Wechselspannungsschalters in einem Halbleiterkörper;

Fig. 9 teilweise eine Querschnittsansicht entlang den Linien IX-IX in Fig. 8 und

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild des durch Licht betätigten Wechselspannungsschalters gemäß Fig. 8 und 9.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein durch Licht steuerbarer lateraler Thyristor in einem Halbleiterkörper 10 angeordnet. Der Körper enthält typischerweise nur den Thyristor, kann aber eine integrierte Schaltung mit einer großen Anzahl anderer Baugruppen aufweisen.

Der Körper hat eine gegebene Dotierungskonzentration und hat eine Hauptfläche 11 mit planarem Aufbau, durch welchen der laterale Thyristor in herkömmlicher Diffusionstechnik gebildet ist. Typischerweise ist der Körper 10 ein Einkristall-Siliziumplättchen vom N-Leitungstyp mit einer im v/esentlichen gleichförmigen Do-

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tierungskonzentration zwischen 2,0 χ 10 und 5,0 χ 10 pro cm bei einem spezifischen Widerstand zwischen 0,2 und 20 Ohm-cm.

Der erste Dotierungsbereich 12 grenzt an die Hauptfläche 11 an. Der Bereich 12 bildet einen ersten PN-Übergang 13 mit einer gegebenen Dotierungskonzentration des Körpers 10. Der PN-Übergang 13 hat einen Gradienten der Dotierungskonzentration, der weniger

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als 1 χ 10 pro cm und vorzugsweise weniger als 1 χ 10 pro cn ist. Der Bereich 12 hat vorzugsweise eine Oberflächen-Dotierungskönzentration zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 pro cm .

Typischerweise ist der Bereich 12 in dem Körper 10 neben der Hauptfläche 11 durch herkömmliche Oxydations-^Photowiderstands-, Ätz-und Diffusionstechnik hergestellt. Der Körper 10 wird in einer Atmosphäre von Sauerstoffgas oder Dampf auf eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 1000 und 1200° C erhitzt und bildet eine Oxydschicht 21 über der Fläche 11 mit einer Stärke von etwa 10 000 8. Das nicht dargestellte Fenster ist in der Oxydschicht durch Photomaskierung und anschließendes Ätzen der Abschnitte der Oxydschicht geöffnet. Eine Dotierung vom P-Typ, beispielsweise Bor, wird in die freigelegten Abschnitte der Oberfläche durch das Fenster in der Oxydschicht in einer Tiefe diffundiert, die typischerweise zwischen 10 und 50 Mikron liegt. Dabei wird der Körper 10 typischerweise in einer offenen Rohranordnung auf 00 C in einer Atmosphäre erhitzt, welc als konstante Diffusionsquelle enthält.

etwa 1000 C in einer Atmosphäre erhitzt, welche Diborangas

Der zweite zentrale Dotierungsbereich 15 wird dann neben der Hauptfläche 11 gebildet und enthält einen ersten Dotierungsbereich 12. Der Bereich 15 bildet den zweiten PN-Übergang 16 mit dem Bereich 12 und hat vorzugsweise eine Oberflächendotierungs-

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konzentration zv/ischen 1 χ 10 und 1 χ 10 pro cm . Vorzugsweise wird der ^-Dotierungsbereich 15 mit Phosphor gebildet, wobei die gleiche Oxydations-, Photowiderstands-, Ätz- und Diffusionstechnik verwendet wird, die bei der Bildung der ersten Dotierungszone 12 verwendet wurde. Vorzugsweise wird die Oxydschicht 21

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ausgedehnt, so daß sie die zur Diffusion des Bereiches 12 verlängerten Fenster während der Diffusion dieses Rereiches schließt» Dann wird ein neues, kleineres konzentrisches Fenster 22 gebildet und in dem Bereich 15 typischerweise in einer Tiefe zwischen 5 und 15 Mikron diffundiert. Die Dotierungsquelle besteht typischerweise aus Phosphor- oder Arsingas (PH₃ oder AsH₃) oder Phosphoroder Arsinhalogenid oder Oxydhalogeniddampf (beispielsweise PCl₃, PBr₃, AsCl₃, AsBr₃ oder POCl₃) welche als konstante Diffusionsquelle in einer offenen Rohrvorrichtung diffundiert ist.

Der dritte umfangseitige Dotierungsbereich 17 wird dann in dem Körper 10 neben der Hauptfläche und im Abstand von dem ersten Dotierungsbereich 12 gebildet. Der Bereich 17 bildet den dritten PN-Übergang 18 mit der gegebenen Dotierungskonzentration des Körpers 10 und den vierten restlichen Dotierungsbereich 14 zwischen den ersten und dritten Dotierungsbereichen 12 und 17. Vorzugsweise hat der Bereich 17 eine Oberflächendotierungskonzentration zwischen

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1 χ 10 und 1 χ 10 pro cm und eine Tiefe zwischen 10 und 25 Mikron. Typischerweise wird der dritte Dotierungsbereich 17 mit Bor unter Verwendung der gleichen Oxydations- Photowiederstands-Ätz- und Diffusionstechnik gebildet, welche zur Bildung des P-Dotierungsbereiches 12 durch Verwendung eines Ringfensters 23 in der Oxydschicht 21 verwendet wurde. Der Bereich 17 kann vor, nach oder gleichzeitig mit dem Bereich 12 gebildet werden.

Der laterale Thyristor wird fertiggestellt, indem Metallkontakte 19 und 20 mit den Bereichen 15 und 17 an der Fläche 11 gebildet werden. Aluminium, Gold oder anderes geeignetes Metall wird auf die Oxydschicht 21 aufgedampft oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht, um die Fenster 22 und 23 zu schließen und eine Metallschicht auf der Schicht 21 auszubilden. Dann wirde eine Negativ-Photowiderstands schicht und ein Ätzmittel, beispielsweise eine Lösung mit 10% Natriumhydroxyd, benutzt, um die Metallschicht von den Abschnitten der Oberfläche zu entfernen und den kreisförmigen Kontakt 19 und den ringförmigen Kontakt 20 in und neben den Fenstern 22 und 23 auszubilden. Das Metall in den Fenstern wird dann

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mit dem Siliziumkörper legiert, indem der Körper 10 erhitzt wird und dadurch Kbm;fakte mit niedrigem Widerstand ausgebildet werden. Die Oxydschicht 21 kann dann auf der Fläche als Teil der endgültigen Anordnung belassen werden, um die Oberflächenzustände zu stabilisieren und eine für das steuernde Licht transparente passivierte Schicht zu bilden.

Der auf diese Weise gebildete Thyristor hat einen Kathoden-Emitter, welcher dem ersten Dotierungsbereich 15 entspricht, eine Kathodenbasis, welche dem zweiten Dotierungsbereich 12 entspricht und einen Anoden-Emitter, welcher dem dritten Dotierungsbereich 17 entspricht, und eine Anodenbasis, welche dem vierten Dotierungsbereich 14 entspricht.

Die durch Licht steuerbare Thyristorschaltung wird vervollständigt durch eine Spannung von einer Stromquelle 24 durch eine Leitung zu einem Kontakt 20 und von einem Kontakt 19 durch eine Leitung zu einem Ausgang 27, so daß der Bereich 17 ein positives Potential gegenüber dem Bereich 15 hat. Dadurch sind die PN-übergänge 16 und 18 in Durchlaßrichtung und der PN-Übergang 13 in Sperr- ' Richtung vorgespannt. Der Strom kann dadurch in der durch die Pfeile auf den Leitungen 25 und 26 angezeigten Richtung fließen, wenn sich der Thyristor in dem leitfähigen Zustand befindet. Die Schalteinrichtung wird durch eine Lichtstrahlenquelle 28A vervollständigt, welche die Hauptfläche 11 an dem ersten Dotierungsbereich 12 und., dem vierten restlichen Bereich 14, d.h. die Basisbereiche, mit Lichtstrahlung 18 zur Steuerung des Thyristors beleuchtet.

Der laterale Thyristor hat einen inneren Strömfluß, der im wesentlichen parallel zu der gleichen Fläche 11 ist, die von allen PN-übergängen umgeben, ist. Die Anordnung hat daher eine hohe Lichtempfindlichkeit, da im wesentlichen der gesamte lichtempfindliche Bereich nahe oder an der Oberfläche liegt und beide Basisbereiche direkt dem Steuerlicht ausgesetzt sind. Die Vorrichtung ist empfindlicher auf Lichtsteuerung als andere durch Licht gesteuerte Thyristoren, beispielsweise solche, die durch

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den Kathoden-Emitter oder über den Rand gezündet werden.

Da beide Basisbereiche des lateralen Thyristors gemäß der Er- ' findung in einfacher Weise durch Licht gesteuert werden können, können die Verstärkungen der beiden äquivalenten Transistoren der Anordnung ausgeglichen und die Basisbereiche nahezu symmetrisch gemacht werden. Dieses steht im Gegensatz zu den vorherigen Thyristoren (vergleiche Fig. 2A), bei denen der N-Dotierungsbasisbereich eine viel tiefere Dotierungskonzentration hat und viel breiter als der P-Dotierungsbasisbereich ist, so daß die Verstärkung ( ) des PNP-Transistorabschnittes relativ niedrig bei allen Strompegeln ist und nicht wesentlich von den Betriebsbedingungen abhängt, während die Verstärkung ( ) des NPN-Transistorabschnittes bei niedrigen Strömen recht klein und sehr abhängig vom Strom ist und den Wert eins bei Strömen erreicht, bei denen die Anordnung einspeichert ("latching on").

Die Symmetrie der Verstärkung wird in den Basisabschnitten gemäß der Erfindung erreicht, indem die Breiten der Basisabschnitte 12 und 14 an der Oberfläche 11 im wesentlichen gleich gemacht werden und die Dotierungskonzentration in den Basisbereichen sich gegenseitig bezüglich der absoluten Werte annähert. Der Ausgleich der Breiten der Basisbereiche macht auch die Ausrichtung des Photowiderstandsmateriales, das Ätzen und die Diffusion bei der Herstellung der P-Dotierungsbereiche 12 und 17 und des N-Dotierungsbereiches 15 weniger kritisch und vermindert dadurch das Problem der Steuerung der Stromverteilung und der Stromverstärkung. Der Ausgleich der Dotierungskonzentration gestattet es wiederum, daß die PN-Übergänge kleinere Gradienten der Dotierungskonzentration aufweisen, so daß im wesentlichen die Schwierigkeit vermieden wird, daß die Durchbruchspannung bei zunehmendem Krümmungsradius abnimmt. Die Strombelasibarkeit des lateralen Thyristors, kann dadurch einfach erhöht werden, indem die Längen der übergänge erweitert werden. Vorgegebene Durchbruchsspannungen, welche vergleichbar mit denen anderer Leistungsthyristoren sind, können in Abhängigkeit von der Qualität der Oberflächenpassivierung erreicht v/erden.

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Vorzugsweise sind die Breiten der Basisabschnitte 12 und 14 an der Oberfläche 11 größer als 25 Mikron. Dieses vereinfacht die Ausrichtung der Photowiderstandsschicht, das Ätzen und die Diffusion der Bereiche 12, 15 und 17, während im wesentlichen die gleichförmige Stromverteilung und die Bemessung der Stromverstärkung relativ einfach bleiben. Darüber hinaus wird vorgezogen, daß die Gradienten der Dotierungskonzentration an den

20 4 PN-Übergängen - kleiner als 1 χ 10 pro cm sind. Dadurch können durch Licht steuerbare laterale Thyristoren vorgesehen werden, welche hohe Durchbruchsspannungen und eine hohe Leistung aufweisen.

Gemäß Fig. 3 kann die Anordnung der Dotierungsbereiche umgekehrt werden. Dementsprechend sind die ersten und zweiten Dotierungsbereiche 12, und 15, am Umfang angeordnet und in einigen Fällen konzentrisch zu dem dritten Dotierungsbereich 17, anstatt zu dem Zentrum. Alle anderen Parameter der Anordnung sind derart wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben.

Bezüglich des Querschnittsbereiches der Anordnung sollte der zulässige laterale Strom pro Längeneinheit des Emitters dicht denjenigen eines Leistungstransistors folgen. Dieser Wert ist empirisch mit 80 mA/mm bezogen auf die Emitterlänge ermittelt worden. Wenn der laterale Thyristor jedoch bezüglich der Verstärkung symmetrischer ausgelegt wird, nimmt diese Zahl ab. Der zulässige Strom pro Emitterlänge ist größer als derjenige eines Schalttransistors, wenn man den Unterschied in der Geometrie in Rechnung stellt. Für eine Anordnung mit 1 A wird daher vorgeschlagen, daß eine "Emitterlänge" (in Wirklichkeit Querschnittsbereich) von etwa 6,25 mm verwendet wird.

Es werden verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, um den lateralen Thyristor mit der längsten Länge des Kathoden-Emitterüberganges (d.h. PN-Übergang 16) innerhalb eines gegebenen Oberflächenbereiches vorzusehen und eine preisgünstige Anordnung zu schaffen. Die kreisförmige prinzipielle Anordnung ist

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in Fig. 1 dargestellt, in welcher der zweite Dotierungsbereich 15 kreisförmig und die ersten, dritten und vierten Dotierungsbereiche 12, 14 und 17 ringförmig ausgebildet sind.

Gemäß Fig. 4 und 5 können die Emitter und Basisbereiche miteinander verwoben sein, um die Länge des Überganges und damit den Querschnittsbereich zu erhöhen, ohne den Oberflächenbereich des verwendeten Halbleiterkörpers zu erhöhen. Diejenigen Bauteile und Bereiche, welche Teilen in Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit Indices bezeichnet, Wegen des geringen Gradienten der Dotierungskonzentration ergeben sich keine Schwierigkeiten bezüglich der Durchbruchsspannung wegen der Veränderung des Krümmungsradius des Übergangs.

In Flg. 6 und 7 sind "lineare" Anordnungen des lateralen Thyristors dargestellt. Dabei sind wieder Bauteile und Bereiche, die Teilen in Fig. 1 und 2 entsprechen, mit Indices bezeichnet.

In Fig. 6 ist der dritte Dotierungsbereich 17^ zu einer Seite des ersten Dotierungsbereiches 12« versetzt, so daß die PN-übergänge 13. und 18* zueinander parallel entlang ihren linearen Abschnitten liegen. Die einzige kritische Photowiderstandsausrichtung bei dieser Ausfuhrungsform ist die Drehung, wenn der N-Dotierungsbereich 15₄ eingesetzt wird. Jeder Fehler einer Parallelverschiebung ergibt lediglich im wesentlichen unbedeutende Änderungen in der Anordnung der Vorrichtung in dem Chip oder der Basisbreite. Eine Änderung in der Basisbreite ändert die Empfindlichkeit der Anordnung etwas, sie ändert jedoch die Lichtempfindlichkeit nicht wesentlich.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 nutzt das Siliziummaterial wirksam aus und vermindert das Verhältnis der Übergangslänge zum Strom. Die Anordnung nähert sich dem kreisförmigen Aufbau, aber die Bereiche sind ähnlich wie in der Anordnung gemäß Fig. 6 verlängert. Bei dieser Ausführungsform ist die seitliche Ausrichtung in einer Richtung jedoch etwas kritisch, denn wenn die

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Breite des ersten Dotierungsbereiches 12,- nicht auf beiden Seiten des zweiten Dotierungsbereiches 15g gleich ist, konzentriert sich der Strom auf einer "Seite" der Anordnung.

Die Empfindlichkeit der Lichttriggerung hängt von der Ausführungsform ab. Falls das Beleuchtungssystem keine optische Fokussierung enthält, sollte die Lichtquelle eine Breitbandquelle für sichtbares Licht sein. Der bestrahlte Bereich hängt von der öffnung und der Intensität der nicht-konzentrierten Quelle ab.

In Fig. 8 ist ein durch Licht betätigter Wechselspannungsschalter für den Betrieb in beiden Richtungen dargestellt. Die Anordnung enthält im wesentlichen zwei seitliche Thyristoren entsprechend Fig. 1 und 2, die Seite an Seite in einem einzigen Halbleiterkörper angeordnet sind.

Der Körper 30 mit einer gegebenen Dotierungskonzentration hat eine Hauptfläche 31 mit planarem Aufbau, in welcher der durch Licht betätigbare Schalter in herkömmlicher Diffusionstechnik ausgebildet ist. Typischerweise besteht der Körper 30 aus einem Einkristall aus einem Siliziumplättchen vom N-Leitfähigkeitstyp mit einer im wesentlichen gleichförmigen Konzentration zwischen vorzugsweise 2 χ 10 und 5 χ 10 pro cm .

Die ersten Dotierungsbereiche 32 und 33 sind in dem Körper 30 neben der Fläche 31 ausgebildet. Die Bereiche 32 und 33 bilden erste PN-Übergänge 34 und 35 mit jeweils der übrigen Dotierungskonzentration des Körpers 30, wobei die geringen Gradienten der

22 4 Dotierungskonzentration weniger als 1 χ 10 pro cm. betragen. Typischerweise werden die ersten Dotierungsbereiche 32 und 33 gleichzeitig durch herkömmliche Oxydations-, Photowiderstands-, Atz- und Diffusionstechnik ausgebildet. D.h., daß der Körper 30 in einer Atmosphäre mit Sauerstoffgas oder Dampf auf eine Temperatur von vorzugsweise 1000 bis 1200 C erhitzt wird, so daß eine Oxydschicht 50 über der Fläche 31 mit etwa 10 000 S Stärke

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ausgebildet wird. Nicht dargestellte Fenster werden in der Oxydschicht durch Photomaskierung und anschließendes Ätzen der Abschnitte der Oxydschicht ausgespart. Ein P-Dotierungsbereich, beispielsweise Bor, wird in die freigelegten Abschnitte der Fläche 31 durch die Fenster in der Oxydschicht in einer Tiefe von typischerweise zwischen 10 und 50 Mikron eindiffundiert, i-ndem der Körper 30 typischerweise in einer Vorrichtung mit einem offenen Rohr auf etwa 1OOO°C in einer Atmosphäre erhitzt wird, welche Diborangas (B-Hg) als konstante Diffusionsquelle enthält. Die Bereiche 32 und 33 haben vorzugsweise Dotierungskonzentra-

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tionen zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 pro cm .

Zweite Dotierungsbereiche 38 und 39 werden in dem Körper 30 neben der Fläche 31 ausgebildet und sind in den Dotierungsbereichen 32 bzw. 33 enthalten. Bereiche 38 und 39 bilden PN-übergänge 40 und 41 mit den Bereichen 32 bzw. 33. Vorzugsweise werden die zweiten Dotierungsbereiche 38 und 39 gleichzeitig durch die gleiche Oxydations-, Photowiderstands-, Ätz- und Diffusionstechnik gebildet, die für die ersten Dotierungsbereiche 32 und 33 verwendet wurde. Typischerweise haben die zweiten Dotierungsbereiche 38 und 39 Konzentrationen der Oberflächendotierung zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 pro cm und haben Tiefen zwischen 5 und 15 Mikron. Vorzugsweise werden die zweiten Dotierungsbereiche 38 und 39 aus Phosphor durch die gleiche Oxydations-, Photowiderstands-, Ätz- und Diffusionstechnik ausgebildet, die für die ersten Dotierungsbereiche 32 und 33 verwendet wird. Vorzugsweise wird die Oxydschicht 50 ausgedehnt, so daß sie die Fenster schließt, welche zur Diffusion der Bereiche 32 und 33 während der Diffusion dieser Bereiche verwendet wurden, so daß die nächsten Schritte darin bestehen, daß neue, kleinere, konzentrische Fenster 51 ausgebildet und in Bereichen 38 und 39 typischerweise in einer Tiefe zwischen 5 und 15 Mikron eindiffundiert werden.

Dritte Dotierungsbereiche 42 und 43 werden in dem Körper 30 neben der Hauptfläche 31 umfangseitig im Abstand von den P-Dotierungs-

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bereichen 32 und 33 ausgebildet und bilden PN-Übergänge 44 und 45 mit der Dotierungskonzentration des Körpers 3O. Die vierten Dotierungsbereiche 36 und 37 werden ebenfalls zwischen ersten und dritten Dotierungsbereichen 32 und 33 und 42 bzw. 43 ausgebildet. Die dritten Dotierungsbereiche werden kreisförmig begrenzt durch Zwischenräume 46 bzw. 47, damit die Thyristoren in bequemer Weise durch ebene Kontakte verbunden werden können. Die P-Dotier\mgsbereiche 42 und 43 werden vorzugsweise gleichzeitig aus Bor durch die gleiche Oxydations-, Photowiderstands-, Ätz- und Diffusionstechnik hergestellt, welche für die Ausbildung der P-Dotierungsbereiche 32 und 33 verwendet wurde, indem ringförmige Fenster 52 in der Oxydschicht 50 geöffnet und die Fenster 51 abgeschirmt oder zeitweilig geschlossen werden. Die Bereiche 42 und 43 haben vorzugsweise Oberflächenkonzentrationen zwischen 1 χ 10 und

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1 χ 10 pro cm und Tiefen zwischen IO und 25 Mikron.

Der auf diese Weise gebildete, durch Licht betätigbare Wechselspannungsschalter wird fertiggestellt, indem Metallkontakte 48 und 49 an der Oberfläche 31 durch Fenster 51 und 52 angebracht werden. Der Kontakt 48 stellt eine induktivitätsfreie Verbindung mit den Dotierungsbereichen 32 und 43 dar, welche wiederum durch den Zwischenraum 46 in dem Dotierungsbereich 42 und die darüber liegende Oxydschicht verbunden sind. Der Metallkontakt 49 ist mit den Dotierungsbereichen 33 und 42 verbunden, die durch den Zwischenraum 47 in, dem Dotierungsbereich 43 und der Oxydschicht 50 verbunden sind. Vorzugsweise werden die Metallkontakte durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung von Aluminium, Gold oder einem anderen geeigneten Material hergestellt, wodurch die Fenster 51 und 52 geschlossen und eine Metallschicht über der Oxydschicht 50 ausgebildet wird. Mittels eines Negativ-Photowiderstandsmateriales und eines geeigneten Ätzmittels wird dann die Metallschicht von den Abschnitten der Oxyöschicht entfernt, damit Kontakte 48 und 49 in und neben den Fenstern 51 und 52 verbleiben. Die Net al Ikontakte v/erden dann mit dem Siliziumkörper durch Erhitzen ues xiörpers legiert, so daß induktivitätsfreie Kontakte mit niedrigem Übergangswiderstand gebildet werden.

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Der auf diese Weise hergestellte durch Licht betätigbare Wechselspannungsschalter hat Kathoden-Emitterabschnitte entsprechend den zweiten Dotierungsbereichen 38 und 39, Kathodenbasisabschnitte entsprechend den ersten Dotierungsbereichen 32 und 33, Anodenbasisabschnitte entsprechend den vierten Dotierungsbereichen 36 und 37 und Anoden-Emitterabschnitte entsprechend den dritten Dotierungsbereichen 42 und 43. Metallkontakte 48 und 49 verbinden die Thyristoren, so daß die sich ergebende Einrichtung in beiden Richtungen bei der Anregung durch Licht arbeitet. Dieses ist am besten aus Fig. 10 ersichtlich, in welcher die Ersatzschaltung des-Wechselspannungsschalters dargestellt, ist.

Die durch Licht betätigbare Schalteinrichtung wird durch eine Spannung von einer Wechselspannungsleitung 53 durch eine Leitung

54 zu einem Kontakt 48 und von einem Kontakt 49 über eine Leitung

55 zum Ausgang 56 gespeist. Die Schalteinrichtung hat eine Lichtstrahlenquelle 57, welche die Hauptfläche 31 an ersten und vierten Dotierungsbereichen 32, 33, 36 und 37 mit Lichtstrahlung 58 zur Steuerung des Thyristors versorgt.

Auf diese Weise wird ein durch Licht gesteuerter Wechselspannungsschalter mit einer wesentlich höheren Lichtempfindlichkeit als die bekannten Einrichtungen dieser Art geschaffen. Der beschriebene Wechselspannungsschalter kann auch bei wesentlich höheren Frequenzen arbeiten, als es bisher möglich war. Dieses beruht darauf, daß obwohl das anregende Licht die beiden Thyristoren gleichzeitig betätigen kann, keine Dotierungsbereiche vorhanden sind, welche durch die Emitterinjektion leitend moduliert würden, und die beiden Thyristoren gemeinsam sind. Folglich erholt sich die Schaltung aus dem Sperrbetrieb schneller, wenn die steuernde Lichtstrahlung beendet wird.

Patentansprüche: 409829/0803

Claims

Patentansprüche

Durch Licht steuerbare laterale Thyristorschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein lateraler Thyristor in einem Halbleiterkörper (10) einer gegebenen Dotierungskonzentration mit einer Hauptfläche (11) ausgebildet ist, der Thyristor einen ersten Dotierungsbereich (12) eines Leitfähigkeitstyps aufweist, der denjenigen der gegebenen Dotierungskonzentration neben der Hauptfläche (11) entgegengesetzt ist und einen ersten PN-Übergang (13) mit einem Gradienten der Oberflächendotierung von weniger als

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1 χ 10 pro cm bei .einer gegebenen Dotierungskonzentration des Körpers (10) aufweist, ein zweiter Dotierungsbereich (15) den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie der erste Dotierungsbereich (12) neben der Hauptfläche (11) hat und in dem ersten Dotierungsbereich enthalten ist und einen zweiten PN-Übergang (16) mit dem ersten Dotierungsbereich (12) bildet und ein dritter Dotierungsbereich (17) den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die gegebene Konzentration neben der Hauptfläche (11) hat und sich im Abstand von dem ersten Dotierungsbereich (12) befindet und einen dritten PN-Übergang (18) mit der gegebenen Dotierungskonzentration des Körpers (10) und einen vierten restlichen Dotierungsbereich (14) neben der Hauptfläche (11) zwischen den ersten und dritten Dotierungsbereichen (12; 17) bildet, eine Leistungsquelle (24) durch Ohm¹sehen Kontakt mit den zweiten und dritten Dotierungsbereichen (15; 17) verbunden ist und eine Lichtstrahlenquelle (28A) die Hauptfläche .(11) wenigstens an Abschnitten der ersten und vierten Dotierungsbereiche (12; 14) zur Steuerung des Thyristors beleuchtet, wenn die Spannung der Leistungsquelle (24) angelegt ist.
2. Thyristorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet·, daß die ersten und vierten Dotierungsbe-

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reiche (12; 14) des lateralen Thyristors Konzentrationen der Oberflächendotierung zwischen etwa 2 χ 10 und

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1 χ 10 pro cm aufweisen.
3. Thyristorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und vierten Dotierungsbereiche (12; 14) des lateralen Thyristors Oberflächenbreiten haben, die im wesentlichen die Stromverstärkungen der äquivalenten Transistoren des Thyristors ausgleichen.
4. Thyristorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Gradient der Dotierungskonzentration des ersten PN-Überganges (13) des

20 4 Thyristors kleiner als 1 χ 10 pro cm ist.
5. Thyristorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß diese in einer oder für eine Wechselspannungsschalteinrichtung vorgesehen ist, zwei durch Licht steuerbare, laterale Thyristoren in Kombination mit der Versorgungsquelle und der Lichtstrahlenquelle (57) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet sind und die Wechselspannungsschalteinrichtung Verbindungskontakte (48, 49) enthält, welche den zweiten Dotierungsbereich (38, 39) jedes Thyristors mit dem dritten Dotierungsbereich (42, 43) des anderen Thyristors induktionsfrei verbindet.
6. Thyristorschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskontakte (48, 49) planar ausgebildet sind und teilweise eine dielektrische Schicht neben der Hauptfläche (11) des Halbleiterkörpers (10) überdecken.

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