DE2406431A1 - Diodenintegrierter thyristor - Google Patents

Description

Patentenwäite
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t München 22, Stainsdorisir. 1· «.twv-tw

.81-22.168Ρ(22.169Η) 11. 2. 1974

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Diodenintegrierter Thyristor

Die Erfindung bezieht sich auf einen diodenintegrierten Thyristor, bei dem ein Thyristor und eine Diode in umgekehrt paralleler Schaltung in einer Halbleiterunterlage integriert sind.

Bei einem Zerhacker oder einem zur Geschwindigkeitssteuerung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verwendeten Wechselrichterkreis oder bei einem Horizontalablenkkreis für einen Fernsehempfänger verwendet man beispielsweise eine Kombination eines Thyristors und

81-(POS 32 508)-T-r (8)

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einer damit umgekehrt parallel geschalteten Diode. Wenn eine solche Kombination durch einen diodenintegrierten Thyristor mit dem eingangs genannten Aufbau ersetzt wird, läßt sich die Gesamtschaltung hinsichtlich der Zahl der Schaltungselemente und somit auch abmessungs- und kostenmäßig reduzieren. Außerdem kann ein solcher Ersatz die Schaltung zur Verwendung für Hochfrequenzbetrieb geeignet machen, bei dem die Induktivitäten der und zwischen den Verdrahtungen der gesonderten Schaltungselemente ungünstige Effekte hervorrufen. Beim in Rede stehenden diodenintegrierten Thyristor muß jedoch zunächst das Problem des "irrtümlichen Einschaltens" gelöst werden. Wenn nämlich der Thyristor vorwärts vorgespannt wird, während sich die Diode nach ihrer Vorwärtsleitung in der Erholungsperiode befindet, kann der Thyristor u. U. aufgrund des Einflusses durch die Diode irrtümlich ohne irgendein Torsignal leiten. Wie das irrtümliche Einschalten hervorgerufen wird, soll anhand der Fig. 1 (Stand der Technik) erläutert werden.

Gemäß Fig. 1 a besteht eine Halbleiterunterlage 1 aus vier Schichten, und zwar einer N-Emitterschicht N , einer P-Basisschicht P , ei-

Ci D

ner N-Basisschicht N_n und einer P-Emitterschicht P , wobei die Buchstäben N und P die N- bzw. P-Leitungstypen andeuten. Die N-Emitterschicht N„, die P-Basisschicht P , die N-Basisschicht N und die P-

Ei D D

Emitterschicht P definieren einen Thyristorbereich 11, während die N-E

Basisschicht N_n und die P-Basisschicht P_D daneben einen Diodenbereich

D D

12 bilden. Ein Paar von Hauptelektroden 2 und 3 sind auf und in Ohmschem Kontakt mit den Oberflächen der N-Emitterschicht N und der P-

Cl

Basisschicht P_D bzw. den Oberflächen der P-Emitterschicht P und der

13 Er

N-Basisschicht N angebracht und verbinden den Thyristorbereich 11 und

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den Diodenbereich 12 umgekehrt parallel miteinander. Eine Torelektrode 4 ist auf der P-Basisschicht P des Thyristorbereichs 11 vorgesehen. Fig .Ib ist ein äquivalenter Schaltkreis des in Fig. 1 a dargestellten diodenintegrierten Thyristors.

Wenn bei dem diodenintegrierten Thyristor dieser Art eine Spannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 so angelegt wird, daß die Elektrode 3 auf einem höheren Potential als die Elektrode 2 gehalten wird (d. h. der Thyristorbereich 11 wird vorwärts vorgespannt, und der Diodenbereich 12 wird rückwärts vorgespannt), dann wird der P-N-Übergang zwischen der P-Basisschicht P_ und der N-Basisschicht N_

o JtJ

rückwärts -vorgespannt, so daß sowohl der Thyristorbereich 11 als auch der Diodenbereich 12 ausgeschaltet werden, da sie nun ihre hohen Impedanzwerte aufweisen. Wird zusätzlich an der Torelektrode 4 ein Signal zum Schalten angelegt, wird der Thyristorbereich 11 zum leitenden Zustand gesteuert. Wenn nun die Polarität der Spannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 umgekehrt wird, ist nur der Diodenbereich 12 leitend, da die PN-Übergänge zwischen der N-Emitterschicht N_ und der P-Basisschicht P und zwischen der P-Emitterschicht P_, und

Ej b Jl

der N-Basisschicht N umgekehrt vorgespannt sind, während der PN-Übergang zwischen der P-Basisschicht P und der N-Basisschicht N vorwärts vorgespannt ist. Die Strom charakteristik ist hierbei so, wie sie in Fig. Ic angedeutet ist. Es soll nun der Fall betrachtet werden, in dem die Polarität der Spannung zwischen den Hauptelektroden so umgekehrt wird, daß der Diodenbereich 12 von seinem Leitzustand in seinen Sperrzustand übergeht. Im leitenden Zustand werden im Diodenbereich 12 sehr viele Löcher von der P-Basisschicht P in die N-Basis-

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schicht N injiziert und als Überschußminoritätsladungsträger in der N-Basisschicht N gespeichert. Einige dieser Ladungsträger bleiben

noch in der N-Basisschicht N und bilden Restladungsträger, auch nachdem der Strom durch den Diodenbereich 12 aufgehört hat. Veiter werden einige der Restladungsträger aufgrund der zwischen den Hauptelekiroden angelegten Spannung zu den Hauptelektroden zurückgezogen, während die anderen in jeder Richtung diffundieren und durch Rekombination verschwinden. Wenn alle Restladungsträger verschwunden sind, erreicht der Diodenbereich 12 seinen Sperr- oder Ausschaltzu-

stand wieder. Hierbei gelangen jedoch einige der Restladungsträger bis zum Thyristorbereich 11 und diffundieren durch diesen, bevor sie durdi Rekombination verschwinden, so daß sie auf den Thyristorbereich 11 einen Einfluß wie den eines Tor signals ausüben und der Bereich 11 vor Empfang des wirklichen Torsignals eingeschaltet wird. So ergibt sich das sogenannte irrtümliche Einschalten des Thyristorbeieichs 11. Je größer die Stromabfallgeschwindigkeit — und der Spitzenstrom durch den Diodenbereich 12 sind, um so häufiger tritt dieses irrtümliche Einschalten auf. Wenn nämlich die Stromabfallgeschwindigkeit — größer ist, ist die Zeit, während der Strom bis auf Null abfällt, kürzer, so daß ein größerer Teil der gespeicherten Ladungsträger übrigbleibt, während bei größerem Spitzenstrom die Zahl der gespeicherten Ladungsträger höher wird, so daß die Zahl der Restladungsträger ebenfalls gesteigert ist. Diese Erscheinung des irrtümlichen Einschaltens senkt die Nennwerte des Stroms I und der Spannung E des diodenintegrierten Thyristors und verhindert eine Abkürzung der Erholungszeit des Diodenbereichs 11, so daß die Steuerkapazität und der Wirkungsgrad der den diodenintegrierten Thyristor verwendenden Schaltung beeinträchtigt werden. Das bekannte

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Verfahren zum Verhindern einer solchen irrtümlichen Einschaltung besteht darin, einen Isolationsteil zwischen dem Thyristorbereich 11 und dem Diodenbereich 12 vorzusehen, um diese voneinander zu isolieren. Ein solcher Isolationsteil kann z.B. ausgebildet werden, indem man (1) eine der Emitterschichten des Thyristorbereichs um einen ausreichenden Betrag weiter hin als die andere Emitter schicht zur Diodenbereichsseite erstreckt, (2) eine Hochverunreinigungskonzentrationsschicht in wenigstens einer der Basisschichten des Diodenbereichs in ausreichendem Abstand vom Thyristorbereich ausbildet oder (3) wenigstens eine der Hauptelektroden in zwei Elektrodenteile nahe der Grenze in der Weise aufspaltet, daß die beiden Elektrodenteile voneinander um einen ausreichenden Abstand getrennt sind. Die Einzelheiten dieser Technik sind in der US-Patentanmeldung Serial No. 55 313 vom 16. 7. 1970 angegeben.

Die Schaffung dieses Isolationsteils führt jedoch nicht direkt zur Verwirklichung eines diodenintegrierten Thyristors, der sich zur Verwendung in einem Zerhackerkreis, einem Wechselrichterkreis oder einem Horizontalablenkkreis eines Fernsehempfängers gut eignet. Es bleiben noch immer einige Probleme zu lösen übrig. Das erste Problem ist das des Isolationseffekts aufgrund des Isolationsteils° Und zwar muß, um eine Diffusion der Restladungsträger in den Thyristorbereich völlig zu verhindern, die Breite des Isolationsteils, d.h. der Isolationsabstand oder -weg zwischen dem Thyristorbereich und dem Diodenbereich, äußerst groß sein, oder der PN-Übergang zwischen der P-Basis und der N-Basis muß in zwei Teile, d. h. einen Thyristor-PN-Übergang und einen Dioden-PN-Übergang unterteilt werden. Demgemäß sind die Strom- und Spannungs-

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kapazitäten und die maximale Betriebstemperatur des Bauelements auf verhältnismäßig niedrige Werte begrenzt.

Das zweite Problem ist das des übermäßigen ErholungsStroms αμ^Ιι den Diodenbereich. Beim praktischen Betrieb des diodenintegrierten Thyristors kommt es oft vor, daß der Thyristorbereich alsbald nachdem ein starker Strom durch den Diodenbereich geflossen ist, wieder vorwärts vorgespannt wird. Und wenn er vorwärts vorgespannt ist, muß der Thyristorbereich die Eignung aufweisen, die Vorwärtsspannung zu blockieren. Die Fähigkeit, die Vorwärtsspannung zu blockieren, die während der Schaltperiode wieder an den Thyristorberei ch angelegt

dv ist, hängt von der Anstiegsgeschwindigkeit — der angelegten Spannung ab, und je geringer diese Geschwindigkeit J££ ist, um so leichter ist das Blockieren der Spannung. Es ist daher erforderlich, die Schaltung

dv in der Weise auszulegen, daß die Geschwindigkeit — zu verringern, eine Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes parallel zwischen den Hauptelektroden des diodenintegrierten Thyristors geschaltet, wie die Fig. 2 (Stand der Technik) zeigt. Der Erholungsstrom, der von der Hauptelektrode 3 zur Hauptelektrode 2 fließt, nachdem ein starker Strom durch den Diodenbereich geflossen ist, neigt zum Steigen, bis der PN-Übergang im Diodenbereich die Blockiereignung wiedergewinnt. Sobalt die Blockiereignung wiederhergestellt ist, beginnt sich der Erholungsstrom abzuschwächen, und gleichzeitig nimmt der Schaltungsstrom seinen Weg durch die C-R-Reihenschaltung, so daß der Kondensator C sich aufzuladen beginnt. Zu dieser Zeit tritt eine Vorwärtsspannung mit einem steilen Anstieg an den Hauptelektroden des Thyristorbereichs aufgrund des Spannungsabfalls am Widerstand R auf.

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Diese Vorwärts spannung kann klein sein, wenn der Widerstandswert des Widerstandes R klein ist. Macht man jedoch den Widerstandswert klein, dann wird der Strom aufgrund der beim Einschalten des Thyristorbereichs durch ein Torsignal vom Kondensator C freigegebenen Ladungen groß, und die dadurch erzeugte Wärme kann den Thyristorbereich schädigen. Daher kann der Widerstandswert in der mit dem diodenintegrierten Thyristor parallel angeschlossenen C-R-Reihenschaltung nicht zu klein gemacht werden, ohne die vom Thyristorbereich ein- und auszuschaltende Leistung zu berücksichtigen. Für den diodenintegrierten Thyristor, bei welchem ein starker Strom durch den Diodenbereich fließt, läßt sich das irrtümliche Einschalten im Zusammenhang

dv
mit dem —-Verlauf also nicht einfach durch Vorsehen der parallel zum Bauelement angeschlossenen C-R-Reihenschaltung verhindern. Infolgedessen läßt sich das Schaltverhalten dieses Thyristors so noch nicht bis zu einem befriedigenden Ausmaß verbessern.

Man kann auch eine sättigbare Drossel in Reihe mit dem diodenintegrierten Thyristor schalten, um den Spitzenwert des Erholungsstromes und die Strom änderung sgeschwindigkeit — während der Erholungsperiode des Diodenbereichs zu verringern. Die sättigbare Drossel dient zur Verringerung der Abfallgeschwindigkeit — des Stromes, der durch den Diodenbereich nahe dem Zeitpunkt fließt, wenn der Strom geschaltet wird, der Zahl der während der Erholungsperiode existierenden Restladungsträger und des Spitzenniveaus des Erholungsstromes, so daß auch der Wert — (— der am Thyristorbereich angelegten Spannung) nach der Erholung des Diodenbereichs sinkt. Hierbei dauert jedoch die Erholungsperiode im Diodenbereich ziemlich lange, und daher verlängert sich die

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Schaltperiode, so daß der Bereich von steuerbaren Frequenzen auf relativ niedrige Frequenzen begrenzt ist. Außerdem vird, wenn die Zahl der gespeicherten Ladungsträger im Diodenbereich sehr groß ist, die sättigbare Drossel während der Erholungsperiode des Diodenbereichs gesättigt. Dementsprechend wächst von der Sättigungszeit an der Erholungsstrom rasch, und der Thyristorbereich wird irrtümlich eingeschaltet.

Das dritte Problem des diodenintegrierten Thyristors ist die Ungleichmäßigkeit der Erholungszeiten von mehreren Diodenbereichen. Wenn mehrere in Reihe geschaltete diodenintegrierte Thyristoren mit verschiedenen Erholungszeiten betrieben werden, wirkt auf einen diodenintegrierten Thyristor mit der kürzesten Erhdungszeit eine übermäßige Spannung ein, die zur Zerstörung des Thyristors führen kann. Wenn andererseits mehrere diodenintegrierte Thyristoren in Parallelschaltung

dv verwendet werden, dann variieren die Anstiegsgeschwindigkeiten — der an die jeweiligen Thyristorbereiche angelegten Vorwärts spannungen, und derjenige Thyristorbereich, der die längste Erholungszeit aufweist, wird irrtümlich eingeschaltet. Wenn ein starker Strom durch jeden Diodenbereich fließt und/oder wenn die Abfallgeschwindigkeit —- des Stromes groß ist, bleiben sehr viele Restladungsträger übrig, wie schon erwähnt wurde. Die Restladungsträger beeinflussen sehr stark die Erholungszeiten der Diodenbereiche, und die Dioden mit Restladungsträgern zeigen daher eine Streubreite von Erholungszeiten. Außerdem wachsen, wie schon erwähnt, im Fall des Anschlusses einer sättigbaren Drossel an jedem diodenintegrierten Thyristor die Erholungszeiten, so daß die Ungleichmäßigkeit der Erholungszeiten beibehalten bleibt. Im Ergebnis

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läßt sich das Problem der Ungleichmäßigkeit der Erholungszeiten nicht überwinden, wenn mehrere diodenintegrierte Thyristoren in Reihenoder Parallelschaltung verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen diodenintegrierten Thyristor zu schaffen, der von dem ungünstigen Einfluß der Restladungsträger im Diodenbereich auf den Thyristorbereich während des Schaltens frei ist. Es soll bei diesem Thyristor die Erholungszeit durch Verringerung der Restladungsträger im Diodenbereich verkürzt werden, die Erholungszeit soll möglichst konstant sein, und mehrere solche diodenintegrierten Thyristoren sollen sich ohne weiteres in Reihen- oder Parallelschaltung einsetzen lassen, gut zur Verwendung in einem Zerhacker- oder Wechselrichterkreis oder in einem Horizontalablenkkreis eines Fernsehempfängers geeignet sein und die sehr rasche Anstiegsgeschwindigkeit der während des Schaltens vom Dioden- auf den Thyristorbereich am Thyristorbereich angelegten Vorwärts spannung ohne weiteres aushalten.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist der im Hauptanspruch gekennzeichnete diodenintegrierte Thyristor.

Die Erfindung gibt also im wesentlichen einen diodenintegrierten Thyristor an, der einen Bereich mit der Funktion eines Thyristors und einen Bereich mit der Funktion einer Diode aufweist, die in einer einzigen Halbleiterunterlage integriert und deren Gleichrichtungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, wobei erfindungsgemäß die Ladungsträger in dem Bereich mit der Diodenfunktion eine kürzere Lebensdauer als die Ladungsträger im Bereich mit der Thyristorfunktion haben.

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

Fig. 1 und 2, wie erwähnt, zur Erläuterung des Standes der Technik bekannte diodenintegrierte Thyristoren, und zwar Fig. la einen Querschnitt eines einfachen bekannten diodenintegrierten Thyristors, Fig. Ib eine äquivalente elektrische Schaltung des Thyristors nach Fig. la und Fig. Ic die Spannungs-Strom-Eigenschaften des in Fig. la dargestellten Thyristors ;

dv Fig. 2 eine Anordnung zur Verringerung des Wertes — während des Schaltens;

Fig. 3 eine Aufsicht eines diodenintegrierten Thyristors als eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 Abwandlungen des in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels; und

Fig. 10, 11, 12 und 13 Querschnitte weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 3 und 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums nur in dem Diodenbereich des diodenintegrierten Thyristors ver-

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teilt, so daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich kürzer als die der Ladungsträger im Thyristorbereich ist. Und zwar weist eine Halbleiterunterlage 21 zwei zueinander parallele Hauptoberflächen 211 und 212 auf und ist im übrigen eine Vierschichtstruktur, die aus vier Schichten mit abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen, nämlich der P-Emitterschicht P , der N-Basisschi cht N , der P-Basisschicht P„ und der N-Emitterschicht N besteht. Zwischen diesen

D Ei

Schichten mit verschiedenen Leitungstypen sind die PN-Übergänge J₁,

3 und J gebildet.
et 3

Die P-Emitterschicht V und die N-Emitterschicht N sind in den

Cj Ei

Oberflächen der N- und P-Basis schichten N und P_n und nahe deren Peripherie so ausgebildet, daß eine Oberfläche jeder dieser Schichten N und P freiliegt. Außerdem sind die Schichten N und P„ so ge-

E Ei Ei Ei

staltet, daß sie sich angenähert überlappen, wenn man sie'in der Erstreckungsrichtung des Paares von Hauptoberflächen projiziert. So werden ein Vier Schichtbereich (im folgenden Thyristorbereich genannt) 2 IT, bestehend aus diesen Schichten P^, N , P_n und N mit der Funktion ei-

Ei D D ti

nes Thyristors, und ein Zweischichtbereich (im folgenden als Diodenbereich bezeichnet) 2ID, bestehend aus den P- und N-Basisschichten P_ und N_. mit der Funktion einer Diode, definiert. Die P-Emitterschicht

B D

P im Thyristor bereich 2 IT hat einen weiter zum Diodenbereich 2ID hin E)

erstreckten Teil 21S, der zusammen mit den N- und P-Basis schichten, die darüber liegen, einen Dreischichtisolationsteil zwischen dem Thyristorbereich 2IT und dem Diodenbereich 2ID bildet. Im Diodenbereich 21D sind die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger, wie z. B. Au, Pt, Ni, Cu, Mn, In oder Fe,

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verteilt. Eine erste Hauptelektrode 22 auf der Hauptoberfläche 211 ist in Ohmschem Kontakt mit der P-Emitterschicht P und der N-Basisschicht N , während sich eine zweite Hauptelektrode 23 auf der Hauptoberfläche 212 im Ohmschen Kontakt mit der N-Emitterschicht N und der P-Basisschicht P_n befindet, und schließlich ist eine Torelektrode

an der Oberfläche der P- Basis schicht P im Thyristor bereich 2 IT vorgesehen. Derjenige Teil jeder Hauptoberfläche, der vom Diodenbereich 21D eingenommen wird, ist üblicherweise das 1 - l,5fache dessen, der vom Thyristorbereich besetzt wird. Die Auswahl dieser Abmessungen beruht auf der Tatsache, daß, sobald der Diodenteil vorwärts vorgespannt wurde, Strom durch dessen gesamten Querschnittsfläche fließt, wogegen es beim Thyristorbereich eine gewisse konstante Zeit für die Einschaltzone erfordert, um den gesamten Raum des Thyristorbereichs zu durchdringen, auch nachdem ein Teil des Raumes mittels der Torelektrode eingeschaltet ist. Wenn der Strom der Schaltung schwach oder die Anstiegsgeschwindigkeit ~ des Stroms beimEinschalten des Thyristorbereichs gering ist, dann ist es nicht nötig, die Zeit in Betracht zu ziehen, während der sich die Einschaltzone durch den gesamten Thyristorbereich ausdehnt. Dabei können die in den Hauptoberflächen vom Diodenbereich und vom Thyristorbereich besetzten Flächen gleichgemacht werden. Wenn jedoch der Strom der Schaltung und der Wert — steigen, muß die relative Fläche des Thyristorbereichs entsprechend vergrößert werden. Es hat sich aufgrund von Versuchen für Anwendungen auf verschiedenen Gebieten gezeigt, daß das Verhältnis der Fläche des Thyristorbereichs zu der des Diodenbereichs vorzugsweise mit 1 : 1 bis 5 : 1 zu wählen ist.

Mit diesem Aufbau läßt sich die Lebensdauer der Ladungsträger im

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Diodenbereich 2ID kürzer als die der Ladungsträger im Thyristorbereich 2IT machen. Die Verringerung der Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich 21D bewirkt nicht nur eine Verringerung der Zahl der im Diodenbereich gespeicherten Restladungsträger, sondern auch die Steigerung der Geschwindigkeit des Verschwindens der Restladungsträger durch Rekombination. Dementsprechend sind die Restladungsträger, die vom Diodenbereich 21D beim Wiederanlegen der Vorwärtsspannung an den Thyristor bereich 2 IT zum Thyristorbereich 21T diffundieren und eine irrtümliche Einschaltung des Thyristorbereichs 2IT verursachen könnten, an Zahl verringert, so daß ein irrtümliches Einschalten während des Schaltens verhindert werden kann. Außerdem schwächt sich der Erholungsstrom im Diodenbereich 21D entsprechend der Verringerung der Zahl der gespeicherten Restladungsträger und der Lebensdauer der Ladungsträger ab, so daß es möglich

dv
ist, die Anstiegsgeschwindigkeit —der durch das Wiederanlegen der Vorwärtsspannung induzierten Spannung zu verringern, die sich durch Schaltungsauslegung nicht mäßigen ließe. Dies bedeutet daher, daß die

dv Beständigkeitseigenschaft gegenüber der Anstiegsgeschwindigkeit — der am Thyristorbereich des diodenintegrierten Thyristors angelegten Vorwärtsspannung verbessert ist. Zusätzlich wird, da die Zahl der gespeicherten Restladungsträger verringert ist, die Ungleichmäßigkeit der Erholungszeiten der Diodenbereiche 21D fertiger Anordnungen verringert, so daß das genannte Problem bei der Zusammenschaltung mehrerer Anordnungen in Reihe oder parallel eliminiert werden kann.

Vorstehend wurde die Erfindung in Anwendung auf einen diodenintegrierten Thyristor mit einem Isolationsteil von Dreischichtlaminataufbau, der aus einer P-Emitter schicht P_n,, einer N-Basisschicht N_

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und einer P-Basisschicht P_n besteht, zwischen seinem Diodenbereich

und seinem Thyristorbereich beschrieben. Jedoch läßt sich die Erfindung auch in folgenden Varianten anwenden:

(Variante l)

Wie Fig. 5 darstellt, ist in der N-Basisschicht N des Diodenbe-

ts

reichs 2ID eines diodenintegrierten Thyristors eine Hochverunreinigungskonzentrationsschicht N um einen bestimmten Abstand von der P-Emitterschicht P_n, des Thyristorbereichs 2IT entfernt ausgebildet, und die Atome eines Stoffs zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger sind im ganzen Diodenbereich 21D verteilt. Alternativ kann man eine solche Hochverunreinigungskonzentrationsschicht auch in der P-Basisschicht P_ oder in beiden Basisschichten N_n und P_n anstelle nur in der N-Basisschicht N ausbilden. Der weiter zum Diodenbereich 2ID erstreckte Teil der P-Schicht des Thyristorbereichs 21T nach Fig. 4 entfällt bei dieser und den nächsten beiden Varianten.

(Variante 2)

Wie Fig. 6 zeigt, ist die Hauptelektrode 23 in zwei Elektrodenteile 231 und 232 aufgespalten, wovon der erstere im Ohm sehen Kontakt mit dem Thyristor bereich 2 IT ist, während sich der letztere im Ohmschen Kontakt mit dem Diodenbereich 2ID befindet, und der Spalt zwischen diesen Elektrodenteilen schafft einen bestimmten Abstand, so daß ein Isolationsteil 2IS gebildet wird; die Atome emes Stoffes zur Bildung

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eines Rekombinations Zentrums sind durch den ganzen Diodenbereich 2ID verteilt. Alternativ kann die andere Hauptelektrode 22 anstelle der Elektrode 23 in dieser Weise aufgeteilt sein» Der Spalt wird bzw. ist mit einer Oxidschicht 25 gefüllt. Diese Elektrodenteile sind elektrisch untereinander mittels eines schematisch angedeuteten leitenden Elements 26 verbunden, das mit ihnen einfach kontaktiert oder verschweißt ist, Weiter kann hierbei statt des Auf spaltens der Hauptelektrode diese auch so gestaltet sein, daß sie an dem Teil, der an der Oxidschicht 25 liegt, eingeprägt ist, um die Schicht in der erhaltenen Ausnehmung oder Ausstanzung aufzunehmen.

(Variante 3)

Wie Fig. 7 zeigt, ist zwischen dem Diodenbereich 2ID und dem Thyristorbereich 2 IT eines diodenintegrierten Thyristors eine Nut 213 mit bestimmter Breite eingeschnitten, um einen Isolationsteil 21S zu bilden, und die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger sind durch den ganzen Diodenbereich 21D verteilt. Es kann auch eine weitere Nut in der gegenüberliegenden Hauptoberfläche ausgebildet werden. Hierbei ist es nicht nötig, die Hauptelektrode aufzuspalten, und es ist nur erforderlich, die Innenoberfläche der Nut mit einem Isolierfilm zu überziehen oder die Nut mit Isoliermaterial zu füllen, wobei der Isolierfilm bzw. das Isoliermaterial von der Elektrode überschichtet wird.

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(Variante 4)

Wie Fig. 8 zeigt, sind hier - bei sonst gleichem Aufbau wie in Fig. 4 - die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger durch den ganzen Diodenbereich 21D und den Isolationsteil 2IS verteilt. Der Aufbau des Isolationsteils ist auf den nach Fig. 8 nicht beschränkt, sondern er kann auch einen Aufbau wie die Ausführungsarten in Fig. 5, 6 und 7 annehmen.

(Variante 5)

Wie Fig. 9 zeigt, hat die Halbleiterunterlage 21 den Thyristorbereich 2IT mit der Torelektrode 24 in ihrem mittleren Teil, während sich der Diodenbereich 2ID in deren Umfangsteil befindet, und die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrum s für Ladungsträger sind wieder durch den Diodenbereich verteilt. Der Aufbau des Isolationsteils 2IS ist auf den nach Fig. 9 nicht beschränkt, sondern kann auch den Ausführungsarten nach Fig. 5, 6 und 7 entsprechen. Zusätzlich können die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger auch im Isolationsteil eindotiert sein.

(Variante 6)

Diese Variante ist durch Umkehr der Leitungstypen der jeweiligen Schichten des diodenintegrierten Thyristors nach den Fig. 3 bis 9 erhältlich.

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(Variante 7)

In den in Fig. 3 bis 9 gezeigten Beispielen umgibt der Thyristorbereich 21T den Diodenbereich 21D oder umgekehrt, jedoch kann der diodenintegrierte Thyristor auch in der Weise aufgebaut sein, daß der Diodenbereich und der Thyristorbereich nebeneinander Seite an Seite angeordnet sind.

(Variante 8)

Ein Isolationsteil wird durch Dotieren der Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums in einen Zwischenteil zwischen dem Diodenbereich und dem Thyristorbereich mit einer bestimmten Breite gebildet. Durch den ganzen Diodenbereich werden ebenfalls die Atome eines Stoffs zur Bildung eines RekombinationsZentrums für Ladungsträger dotiert, wobei die Konzentration der Atome hier geringer als die der Atome im Isolationsteil ist.

Die bestimmte Breite oder der bestimmte Abstand in den einzelnen Beschreibungen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und ihrer Varianten wird als der Abstand bzw. Weg definiert, der weit genug ist, um eine Diffusion der im Diodenbereich gespeicherten Restladungsträger in den Thyristorbereich und das Auslösen eines irrtümlichen Leitendmachens des Thyristorbereichs zu verhindern.

Fig. 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Anordnung nach diesem Ausführungsbeispiel sind ein Diodenbereich

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21D und der Thyristorbereich 2 IT ohne Isolationsteil Seite an Seite zueinander angeordnet, und die Atome eines Stoffes zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger sind nur im Diodenbereich eindotiert, so daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich !airzer als die der Ladungsträger im Thyristorbereich sein wird. Wenn der Strom durch die Schaltung, in welche die Anordnung eingeschaltet ist (und zwar durch den Diodenbereich), schwach ist oder wenn die Abfallgeschwindigkeit ~ des Stroms durch den Diodenbereich klein ist, dann läßt sich das Schaltungsverhalten verbessern, indem man einfach einen Isolationsteil zwischen dem Diodenbereich und dem Thyristorbereich ausbildet. Ein dic-denintegrierter Thyristor, der in einer Schaltung verwendet wird, die einen schwachen Strom aufnimmt und in der die Stromabfallgeschwindigkeit gering ist, hat üblicherweise eine geringe Kapazität, und die Anordnung des Isolationsteils verringert die Fläche, durch die der Strom fließt, so daß der Nutzfaktor der Halbleiterunterlage klein wird. Dies ist ein Nachteil, der mit der Anordnung des Isolationsteils verbunden ist, der an sich das Schaltverhalten veirbessert. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich geringer als im Thyristorbereich gemacht ist, lassen sich die Schalteigenschaftea verbessern, ohne daß irgendein Isolationsteil vorgesehen wird, und Somit läßt sich gleichzeitig der mit dem Isolationsteil verbundene Nach^il beseitigen. Der Aufbau nach diesem Ausführungsbeispiel ist nicht 4uf den nach Fig. 10 beschränkt, sondern es ergeben sich für Fachleute verschiedene weitere Varianten angesichts des vorangehenden Ausfütfrungsbeispiels und seiner Varianten. j

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Fig. 11 zeigt einen diodenintegrierten Thyristor als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist die Anordnung ähnlich der nach den Fig. 3 und 4. In diesem Fall ist jedoch die ganze Halbleiterunterlage 21 mit den Atomen eines Stoffes zum Bilden eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger dotiert, wobei die Konzentration des Stoffes im Diodenbereich höher als im Thyristorbereich ist. Bei diesem Aufbau ist die Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich 2ID kürzer als die der Ladungsträger im Thyristorbereich 21T, so daß dieses Ausführungsbeispiel zur gleichen günstigen Auswirkung wie das erste Ausführungsbeispiel führt. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die ganze Unterlage mit dem Stoff zur Bildung von Rekombinationszentren dotiert ist, läßt sich die Anordnung in einer Schaltung verwenden, die mit hoher Frequenz betrieben wird (hohe Schaltgeschwindigkeit). Es ist auch möglich, dieses Ausführungsbeispiel wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels abzuwandeln. Und zwar kann bei jeder der Aufbauarten der diodenintegrierten Thyristoren wie nach der ersten bis neunten Ausführungsart des erätai Ausführungsbeispiels die ganze Halbleiterunterlage mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger nach Art des dritten Ausführungsbeispiels dotiert werden.

Fig. 12 zeigt einen diodenintegrierten Thyristor als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Diodenbereich 2ID und der Thyristorbereich 21T nebeneinander angeordnet, und beide sind mit dem gleichen Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums dotiert, wobei jedoch die Konzentration des dotierten Stoffes im Diodenbereich 2ID höher als im Thyristor bereich 2 IT ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat die gleiche Funktion und Wirkung wie das

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zweite, und diese Anordnung läßt sich mit höherer Schaltgeschwindigkeit betreiben. Es ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, verschiedene Modifikationen unter Berücksichtigung des zweiten Ausführungsbeispiels vorzusehen.

Fig. 13 zeigt einen diodenintegrierten Thyristor als fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie die Figur erkennen läßt, der Diodenbereich 21D um die Dicke der P-Emitterschicht P plus der N-Emitterschicht N dünner als der Thy-

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ristorbereich gemacht, und jede der Hauptelektroden 22 und 23 ist in Elektrodenteile, z. B. 231, 232, unterteilt, die jeweils einerseits mit dem Diodenbereich und andererseits mit dem Thyristor be reich kontaktiert sind, und der Diodenbereich 2ID ist mit dem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums dotiert. Oxidfilmschichten 25 sind rings um die Umfange der Elektrodenteile des Diodenbereichs vorgesehen. Weiter ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Isolationsteil 2IS durch weiteres Erstrecken der P-Emitterschicht P_ auf der Oberfläche

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der N-Basisschicht im Diodenbereich 21D ausgebildet, jedoch kann er auch nach verschiedenen, im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel abgewandelter Arten gestaltet werden. Veiter ist nur der Diodenbereich mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinations Zentrums dotiert, es ist jedoch auch möglich, daß die ganze Unterlage mit dem gleichen Stoff dotiert wird, so daß die Konzentration des Stoffs im Diodenbereich höher als im Thyristorbeieich ist. Auch wird der Isolationsteil 2IS zwischen dem Diodenbereich 2ID und dem Thyristorbereich 2IT nicht stets benötigt, was sich nach dem Anwendungsgebiet richtet. Außerdem sind die relativen Gestaltungen des Diodenbereichs und des

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Thyristorbereichs nicht auf die in Fig. 13 dargestellten beschränkt, wonach der Diodenbereich 2ID vom Thyristorberei ch 2 IT umgeben ist, sondern es ist möglich, daß entweder der Diodenbereich 2ID den Thyristorbereich 2IT umgibt oder daß diese beiden Bereiche lediglich nebeneinander angeordnet werden.

In den erläuterten Ausführungsbeispielen und ihren Varianten ist, um die Lebensdauer der Ladungsträger im Diodenbereich zu machen, entweder nur der Diodenbereich mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums oder aber die gesamte Unterlage mit dem gleichen Stoff dotiert, wobei dann die Konzentration des dotierten Stoffes im Diodenbeieich höher als die des dotierten Stoffes im Thyristorbereich ist. Jedoch kann man auch noch ein anderes Verfahren, wie z. B. die Bestrahlung der Unterlage durch Neutronenstrahlen und den Getter-Effekt, für den gleichen Zweck anwenden. Wenn die Unterlage einer Bestrahlung mittels radioaktiven Materials ausgesetzt wird, werden Rekombinationszentren in der Unterlage gebildet. Daher kann man durch Richten der Bestrahlung nur auf den Diodenbereich oder durch Behandeln der gesamten Unterlage mit der Strahlung, jedoch Steuern der Bestrahlungszeiten in der Weise, daß die Bestrahlungszeit für den Diodenbereich länger als die für den Thyristorbereich ist, die gleiche Wirkung wie im ersten bis fünften Ausführungsbeispiel erzielen. Andererseits hat eine dünne Phosphorschicht oder VerformungsSpannungsschicht, die auf der Oberfläche der Halbleiterunterlage gebildet ist, in Hochtemperaturatmosphäre eine Getter-Wirkung ₅ bei der die Atome eines Schwermetalls zum Schaffen eines Rekombinationszentrums in der Unterlage absorbiert werden. Wenn daher eine solche Schicht auf der Oberfläche des

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Thyristorbereichs ausgebildet und einer Erhitzung unterworfen wird, ist die Zahl der dann eindotierten Schwermetallatome im Thyristorbereich geringer als im Diodenbereich, so daß wieder ein diodenintegrierter Thyristor mit der gleichen Wirkung und Qualität wie im ersten bis fünften Ausführungsbeispiel erhalten wird.

Weiter ist nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen eine

Torelektrode 24 auf der P-Basisschicht P₀ zum Zünden oder Einschal-

ten des Thyristorbereichs angebracht, doch ist das Zündmittel nicht auf eines dieser Art beschränkt, wie es im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben und in diesen dargestellt ist. Z.B. kann auch eine an einer anderen Schicht als der P-Basisschicht P„ angebrachte Torelektrode verwendet werden, oder man kann auch ein optisches, elektromagnetisches oder mechanisches Signal, das keine Torelektrode voraussetzt, anstelle eines elektrischen Signals verwenden, das über die Torelektrode zuzuführen ist.

Es soll nun noch kurz das aufgrund der Erfindung erzielte Ergebnis zahlenmäßig erläutert werden.

Bei einem diodenintegrierten Thyristor mit einem Aufbau entsprechend Fig. 3 und 4, der mit Nennwerten von 1250 V und 400 A betrieben wurde und bei dem man die ganze Unterlage gleichmäßig mit

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Gold in einer Konzentration von 5 χ 10 Atome/cm dotiert hatte, war die Lebensdauer der Ladungsträger sowohl im Diodenbereich als auch im Thyristorbereich 10 u see, und die Änderungsgeschwindigkeit

— der aufgrund der C-R-Reihenschaltung erzeugten Spannung war bis 300 V/ ix see. Wenn dagegen die Gold-Konzentration im Diodenbe-

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reich auf 1 χ 10 Atome/cm erhöht wird, während die im Thyristorbereich unverändert bleibt, dann beträgt die Lebensdauer der Ladung Βαν träger im Diodenbereich 1 - 2 μ sec, und die Geschwindigkeit -r- ist 40 - 60 V/μ sec. So wird, wenn man die Lebensdauer von Ladungsträgern im Diodenbereich gleich einem Drittel bis Zehntel derjenigen

dv der Ladungsträger im Thyristorbereich macht, der ττ-Wert aufgrund der C-R-Schaltung erzeugten Spannung etwa auf 1/5 oder weniger reduziert, so daß die maximal zulässige Temperatur des diodenintegrierten Thyristors um etwa 25 % gesteigert werden kann. Weiter kann man so ebenfalls den unerwünschten Einfluß von Eestiadungsträgern im Diodenbereich auf den Thyristorbereich verringern, die Schaltkapazität verdoppeln oder die Breite des Isolationsteils halbieren, wenn die Kapazität konstant gehalten wird, und die Ungleichmäßigkeit der Lebensdauerwerte von Thyristor zu Thyristor, die sonst in einem Bereich von 1 bis 10 μ sec streuen, auf 0,5 bis 2 p. see eingrenzen.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   /i.) Diodenintegrierter Thyristor aus einer Halbleiterunterlage mit einer ersten Schicht eines Leitungstyps, einer zweiten Schicht des anderen Leitungstyps, die an die erste Schicht unter Bildung eines ersten PN-Überganges mit dieser angrenzt, einer dritten Schicht des einen Leitungstyps, die an die zweite Schicht unter Bildung eines zweiten PN-Überganges mit dieser angrenzt, und einer vierten Schicht des anderen Leitungstyps, die an die dritte Schicht unter Bildung eines dritten PN-Überganges mit dieser angrenzt, wobei ein Teil der zweiten Schicht, ein Teil der dritten Schicht, die erste Schicht und die vierte Schicht einen Vierschichtbereich mit der Funktion eines Thyristors bilden und die restlichen Teile der zweiten und der dritten Schicht einen Zweischichtbereich mit der Funktion einer Diode bilden; mit einer ersten Hauptelektrode im Ohmschen Kontakt mit den freien Oberflächen der ersten und der zweiten Schicht, einer zweiten Hauptelektrode im Ohmschen Kontakt mit den freien Oberflächen der dritten und der vierten Schicht und einem Mittel zum Zünden des Vierschichtbereichs, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Zweischichtbereich (21D) kürzer als die der Ladungsträger im Vierschichtbereich (21T) ist.
2. 2. Diodenintegrierter Thyristor aus einer Halbleiter unter lage mit einer ersten Schicht eines Leitungstyps, einer zweiten Schicht entgegengesetzten Leitungstyps, die an die erste Schicht unter Bildung eines PN-Überganges mit dieser angrenzt, einer dritten Schicht des einen Leitungs-

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   typs, die an die zweite Schicht unter Bildung eines zweiten PN-Überganges mit dieser angrenzt, und einer vierten Schicht des anderen Leitungstyps, die an die dritte Schicht unter Bildung eines dritten PN-Überganges mit dieser angrenzt, wobei ein Teil der zweiten Schicht, ein Teil der dritten Schicht, die erste Schicht und die vierte Schicht einen Vierschichtbereich mit der Funktion eines Thyristors bilden, ein Teil der restlichen zweiten Schicht und ein Teil der restlichen dritten Schicht einen Zweischichtbereich mit der Funktion einer Diode bilden und wenigstens die anderen Teile der restlichen zweiten Schicht und der restlichen dritten Schicht zwischen dem Vierschichtbereich und dem Zweischichtbereich einen Isolationsteil mit einer zum Verhindern .einer Diffusion von Ladungsträgern aus dem Zweischichtbereich in den Vierschichtbereich ausreichenden Breite bilden; mit einer ersten Hauptelektrode im Ohm sehen Kontakt mit den freien Oberflächen der ersten und der zweiten Schicht, einer zweiten Hauptelektrode im Ohm sehen Kontakt mit den freien Oberflächen der dritten und der vierten Schicht und einem M ittel zum Zünden des Vierschichtbereichs, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Zweischichtbereich (21D) kürzer als die der Ladungsträger im Vierschichtbereich (21T) ist.
3. 3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationsteil (21S) durch weiteres Erstrecken wenigstens einer der ersten und vierten Schichten (P , N) zur Seite des Zweischichtbe-

   Cj Ei

   reichs (21D) hin gebildet ist.
4. 4. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der

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   Zweischichtbereich (21D) durch eine Hochverunreinigungskonzentrationsschicht (N ) in wenigstens einer der zweiten und dritten Schichten (N_n, P_n) und der Isolationsteil (21S) durch die restlichen zweiten und dritten Schichten definiert ist.
5. 5. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke wenigstens eines der Teile der zweiten und dritten Schichten (N ,

   P₀), die zum Isolationsteil (21S) gehören, geringer als die des Zwei-

   Schichtbereichs (21D) und des Vier Schichtbereichs (21T) ist.
6. 6. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Isolationsteil (21S) kürzer als die der Ladungsträger im Zweischichtbereich (21D) ist.
7. 7. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Zweischichtbereichs (21D), durch die Strom fließt, das 1 - l/5fache derjenigen des Vierschichtbereichs (21T) beträgt.
8. 8. Diodenintegrierter Thyristor aus einer Halbleiterunterlage mit einer ersten Schicht eines Leitungstyps, einer zweiten Schicht des anderen Leitungstyps, die an die erste Schicht unter Bildung eines ersten PN-Überganges mit dieser angrenzt, einer dritten Schicht des einen Leitungstyps, die an die zweite Schicht unter Bildung eines zweiten PN-Überganges mit dieser angrenzt, und einer vierten Schicht des anderen Leitungstyps, die an die dritte Schicht unter Bildung eines dritten PN-

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   Überganges mit dieser angrenzt, wobei ein Teil der zweiten Schicht, einJfeil der dritten Schicht, die erste Schicht und die vierte Schicht einen Vierschichtbereich mit der Funktion eines Thyristors bilden und die restlichen Teile der zweiten und der dritten Schicht einen Zweischichtbereich mit der Funktion einer Diode bilden, wobei weiter erste und zweite Elektrodenteile jeweils im Ohm sehen Kontakt mit der freien Oberfläche der ersten Schicht des Vierschichtbereichs bzw. der freien Oberfläche der zweiten Schicht im Zweischichtbereich angeordnet sind und dritte und vierte Elektrodenteile jeweils im Ohm sehen Kontakt mit der freien Oberfläche der vierten Schicht des Vier Schichtbereichs bzw. der freien Oberfläche der dritten Schicht im Zweischichtbereich angeordnet sind, ferner mit Mitteln zur elektrischen Verbindung des ersten Elektrodenteils mit dem zweiten Elektrodenteil bzw. zur Verbindung des dritten Elektrodenteils mit dem vierten Elektrodenteil und einem Mittel zum Zünden des Vierschichtbereichs,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Lebensdauer der Ladungsträger im Zweischichtbereich (21D) kürzer als die der Ladungsträger im ^ierSchichtbereich (21T) ist.
9. 9. Thyristor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Elektrodenteil einstückig ausgebildet sind.
10. 10. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweischichtbereich (21D) mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger dotiert ist.
11. 11. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

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    Zweischichtbereich (21D) und der Vier Schichtbereich (21T) mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Leitungsträger dotiert sind, wobei die Konzentration des eindotierten Stoffes im Zweischichtbereich (21D) höher als im ^VierSchichtbereich (21T) ist.
12. 12. Thyristor nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiscliichtbereich (21D), der Isolationsteil (21S) und der Vier Schichtbereich (21T) mit einem Stoff zur Bildung eines Rekombinationszentrums für Ladungsträger dotiert sind, wobei die Konzentration des eindotierten Stoffes im Zweischichtbereich (21D) höher als im Vierschichtbereich (21T) ist.

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