DE2425540C2 - Spannungsbegrenzer - Google Patents

Description

— mindestens im Bereich eines Zonenüberganges (9, 10) mindestens in einer der beiden anschließenden Zonen (4, 5; 5, 6) die Störstellenkonzentration an definierten Stellen (13,13a, i3b) lokal erhöht ist, und

— der Wert des Bahnwiderstandes zwischen diesen Stellen (13, 13a, \3b) und der jeweils nächsten Kontaktelektrode (2,3) erhöht ist

20

2. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierten Stellen (13,13έ>; erhöhter Störstellenkonzentration einen Teil der Mittelzone (5) bilden.

3. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierten Steilen (13a, i3b) erhöhter Störstellenkonzentration einen Teil der Außenzonen (4,6) bilden.

4. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Störstellenkonzentration mindestens 2-, höchstens aber lOmal größer ist als die Grunddotierung.

5. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Störstellenkonzentration einen Gradienten aufweist, der mindestens 2-, höchstens aber lOmal größer ist als jener der Außenzonen (4,6).

6. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirnfläche (7,8) über den ίο Stellen (13,13a, 13ο; erhöhter Störstellenkonzentration eine Ausnehmung (14, i4b) aufweist.

7. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirnfläche (7, 8) der Außenzone (4, 6) über den Stellen (13, 13a, 13b; erhöhter Störstellenkonzentration nicht kontaktiert ist und daß der lokale Widerstand durch Kompensationsstörstellen (14a; erhöht ist.

8. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (14, 14i>; 10 bis 100 μπι tief ist.

9. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich mindestens eines Zonenüberganges (9,10) mindestens drei Stellen (13, 13a; erhöhter Störstellenkonzentration vorhanden sind und daß die Abstände zwischen den benachbarten Stellen (13,13a;den gleichen Wert haben.

10. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (7, 8) symmetrisch zur Mittellinie (M) sieben Ausnehmungen (14) aufweisen.

11. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (14) zylindersymmetrisch sind und das Verhältnis des Durchmessers (D) der Ausnehmung (14) zu dem Durchmesser (d) der unter dieser Ausnehmung (14) liegenden Stelle (13) erhöhter Störstellenkonzentration mindestens 2, höchstens aber 20 ist

IZ Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen (\3b) erhöhter Störstellenkonzentration eine fingerförmige Struktur aufweisen.

13. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der gesamten Zonenübergangsfläche und der durch die Stellen (13,13a, 136; erhöhter Störstellenkonzentration eingenommene Fläche größer als 10 ist

Die Erfindung betrifft einen Spannungsbegrenzer mit zwei Kontaktelektroden und einem Halbleiterkörper, der aus einer niedrig dotierten Mittelzone und zwei daran anschließenden höher dotierten Außenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, wobei die Störstellenkonzentration in der Mittelzone kleiner als 10¹⁵cm-³ist

Solche Spannungsbegrenzer sind beispielsweise aus den Brown Boveri Mitteilungen, Nr. 9, 1972, Seiten 476—482, bekannt und werden bevorzugt zum Schutz gegen Überspannungen in Stromrichteranlagen verwendet

In einem elektrischen Ersatzschaltbild können sie prinzipiell als zwei mit entgegengesetzter Polarität in Serie geschaltete stoßspannungsfeste Halbleiterdioden aufgefaßt werden. Die Strom-Spannungskennlinie dieser Spannungsbegrenzer weist etwa die in F i g. 3, Kurve b, dargestellte Form auf, d. h. über einem bestimmten positiven bzw. negativen Wert der Spannung an dem Schutzelement der der Lawinendurchbruchspannung der Halbleiterdiode entspricht, erzeugt eine sehr kleine Spannungserhöhung am Schutzelement eine sehr große Stromerhöhung.

Diese bekannten Begrenzungselemente (im folgenden auch als DSAS-Elemente bezeichnet, wobei D für Diode, S für Silizium, A für »controlled avalanche« und das zweite S für symmetrisch stehen) bewirken, daß unabhängig davon, ob es sich um Störungen mit hohen Überspannungen oder um Störungen mit nur geringen Überspannungen handelt, an dem zu schützenden Element, etwa einem Thyristor, Impulse in Höhe der Lawineneinsatzspannung des DSAS-Elementes liegen.

Die herkömmlichen DSAS-Elemente besitzen demnach den Nachteil, daß auch die relativ häufig auftretenden Störungen mit nur geringer Überspannung die gleiche Verlustleistung in dem zu schützenden Element erzeugen, wie die Störungen mit hohen Überspannungen.

Aus der FR-PS 12 63 548 ist ein Halbleiterbauelement mit einer PNPN-Struktur bekannt, das im Bereich eines Zonenübergangs lokal erhöhte Störstellen aufweist. Oberhalb gewisser Störstellen befinden sich kreisförmige Ausnehmungen mit einem Boden erhöht dotierten Materials. Dadurch wird unter anderem der Widerstand des Bauelementes erniedrigt und eine geringere spezifische Kapazität erzielt Ein solches Bauelement ist jedoch als Begrenzungselement ungeeignet, da bei Überschreiten der maximalen Sperrspannung die Spannung über das Bauelement auf einem Bruchteil dieser Sperrspannung zusammenbricht

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsbegrenzer anzugeben, der es ermöglicht, vor allem für die relativ häufig auftretenden Störungen mit geringen Überspannungen die Verlustleistung in dem zu

schützenden Element geringer zu halten, als dieses bei Verwendung von herkömmlichen Spannungsbegrenzern möglich ist und der sich außerdem durch einfache Fertigung und Aufbau auszeichnet

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Besonders bewährt haben sich Spani.ungsbegrenzer, bei denen zwecks Erhöhung des Wertes des Bahnwiderstandes die Stirnflächen der Außenzonen über den Stellen erhöhter Störstellenkonzentration eine Ausnenmung aufweisen.

Vorzugsweise sind im Bereich mindestens eines Zonenüberganges mindestens drei Stellen erhöhter Stcrstellenkonzentration vorhanden, wobei die Abstände zwischen den banachbarten Stellen den gleichen Wert besitzen.

Weitere Merkmale sowie die Wirkungsweise der Erfindung werden nachstehend anhand von im Zusammenhang mit Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen dargestellt Es zeigt

F i g. 1 einen seitlichen Schnitt durch einen Spannungsbegrenzer mit punktförmigen Stellen erhöhter Störstellenkonzentration,

Fig.2 eine Draufsicht des Spannungsbegrenzers nach Fig. 1,

F i g. 3, Kurve a, die Strom-Spannungskennlinie des Halbleiterbauelementes nach F i g. 1,

F i g. 3, Kurve b, die Strom-Spannungskennlinie eines herkömmlichen DSAS-Elementes,

F i g. 4 und 5 Ausschnitte aus zwei anderen Ausführungsformen,

F i g. 6 einen Spannungsbegrenzer mit fingerförmiger Stellen erhöhter Störstellenkonzentration.

Der in F i g. 1 und F i g. 2 dargestellte Spannungsbegrenzer besteht aus einem einkristallinen Halbleiterkörper 1 und zwei sich an diesen Körper anschließenden Kontaktelektroden 2 und 3.

Der Halbleiterkörper 1 weist drei Zonen abwechselnd entgegengeretzten Leitfähigkeitstyps auf: die P-Zone 4, die N-Zone 5 und die P-Zone 6. Die beiden P-Zonen 4 und 6 besitzen an den Stirnflächen 7 und 8 eine Oberflächen-Störstellenkonzentration von 10¹⁹ cm-³, während die N-Zone 5 sehr schwach dotiert ist und höchstens 10¹⁵ Störstellenatome/cm³ enthält. Diese Zonen 4, 5 und 6 bilden die durch strichlierte Linien angedeuteten PN-Übergänge9und 10.

Um die Sperrfähigkeit der Scheibe zu erhöhen sind die Seitenflächen ti und 12 des Halbleiterkörpers 1 in bekannter Weise abgeschrägt (beispielsweise doppelseitig mit flachem Winkel wie in F i g. 1 dargestellt).

Die hochohmige N-leiteride Zone 5 ist lokal beispielsweise an insgesamt sieben Stellen 13 (vgl. auch F i g. 2) zusätzlich N-dotiert, wobei die Störstellendichte mindestens zweimal höchstens aber zehnmal so hoch wie die Grunddotierung ist und die Tiefe (gemessen von den Stirnflächen 7 und 8) dieser Störstellen etwa 20 bis 200 μπι beträgt

Über diesen Stellen 13 erhöhter Störstellenkonzentration sind die Stirnflächen 7 und 8 nicht kontaktiert und die Ausnehmungen 14 eingeätzt. Die Tiefe dieser Ausnehmungen liegt zwischen 10 und ΙΟΟμίτι und der Durchmesser D der jeweiligen Ausnehmung ist mindestens zweimal höchstens aber zwanzigmal größer als der Durchmesser c/der unter diesen Ausnehmungen liegenden Stellen erhöhter Störstellenkonzentration.

F i g. 3, Kurve a, zeigt die Strom-Spannungskennlinie eines solchen Spannungsbegrenzers im I.Quadranten. Die Kennlinie ist für das Element der Fig. 1 symmetrisch zum Nullpunkt. Si« weist drei Arbeitsgebiete auf. Diese werden in F i g. 3 (Kurve a) als Bereich I (0 < U < Ly, Bereich II (U_a< U < Ut) und Bereich III (U > Ub) bezeichnet.

Zur Erklärung der Wirkungsweise des Spannungsbegrenzers wird im folgenden angenommen, daß an der Elektrode 2 ein negatives Potential und an der Elektrode 3 ein positives Potential liegt Der Zonenübergang 10 ist in diesem Fall in Durchlaßrichtung, der ο Zonenübergang 9 in Sperrichtung gepolt.

Eine Zunahme der angelegten Spannung bewirkt zunächst lediglich eine Zunahme des Widerstandes des Zonenüberganges 9. Der Sperrstrom, der im wesentlichen durch thermische Paarerzeugung entsteht ist vernachlässigbar klein (Bereich I der /-LZ-Kennlinie).

Bei weiterer Steigerung der Spannung treten an dem Zonenübergang 9 an den definierten Stellen 13 mit erhöhter N-Dotierung so hohe Feldstärken auf, daß durch Stoßionisierung eine Lawinenbildung von Stromträgern eintritt Die durch die Ausnehmungen 14 verursachte Erhöhung des Bahnwiderstandes zwischen den Stellen 13 erhöhter Störstellenkonzentration und der Elektrode 2 bewirkt eine Begrenzung des Stromanstieges bei Überschreitung der Lawinendurchbruchspannung U_a (Bereich II der I-U-Kennlinie). Die Ausnehmungen in den Stirnflächen 7, 8 sind deswegen besonders wirksam, weil dort aufgrund der hohen Dotierung eine besonders große Querleitfähigkeit ber.teht Die Steilheit der Strom-Spannungskennlinie ist etwa dem reziproken Wert des Bahnwiderstandes proportional.

Wird die an den Elektroden 2 und 3 liegende Spannung noch weiter erhöht, so tritt schließlich bei Ub auch in dem restlichen (nicht zusätzlich dotierten) Gebiet des Zonenüberganges 9 ein Lawinendurchbruch ein. Eine geringe Spannungserhöhung führt in diesem Bereich zu einer großen Stromzunahme (Bereich 111 der /-iJ-Kennlinie).

Dieser Aufbau der Kennlinie (F i g. 3. Kurve a) ist am

ίο schärfsten ausgeprägt, wenn der Teil der Zonenübergänge, der für die Lawinendurchbruchspannung U_a verantwortlich ist, einen im Verhältnis zur gesamten Zonenübergangsfläche sehr kleinen Teil einnimmt, und wenn das Verhältnis von Durchmesser D der zylinder-

•45 symmetrischen Ausnehmungen 14 zum Durchmesser d der unter diesen Ausnehmungen 14 liegenden Stellen 13 erhöhter Störstellenkonzentration mindestens zwei und höchstens zwanzig beträgt.

Bei der Herstellung des Aktivteils des Spannungsbe-

5Ii grenzers nach F i g. 1 geht man von einer schwach dotierten N-leitenden Siliziumscheibe mit einer Dicke von etwa 150 bis 1500 μηι aus. Die Dotierung des Siliziums kann zwischen 10'³ und 10¹⁵ Donatoratome/cm³ betragen. In diese Siliziumscheibe werden Vertiefungen in die Stirnflächen 2 und 3 über den Stellen 13, die zusätzlich N-dotiert werden sollen, eingeätzt. Der Durchmesser dieser Vertiefungen liegt zwischen 10 und 1000 μπι, die Tiefe zwischen 0 und 100 μίτι. Nach Auflegung einer Diffusionsmaske erfolgt durch die

t>o geätzten Vertiefungen hindurch eine lokale Diffusion, z. B. mit Phosphor, zur Erzeugung der Stellen 13 erhöhter N-Störstellenkonzentration.

Zur Bildung der Zonenübergänge 9 und 10 werden die Diffusi^nsmaske durch ein geeignetes Ätzmittel entfernt und in die Siliziumscheibe in einem weiteren Diffusionsprozeß, z. B. Bor zur Erzeugung der P-Zonen 4 und 6 eindiffundiert. Dabei werden die Menge der Dotierungssubstanz und die übrigen Reaktionsparame-

ter bei dem verwendeten Diffusionsverfahren (etwa der Ampullendiffusion) so gewählt, daß sich in der Scheibe eine Randkonzentration von mindestens Wem-³ einstellt. Die Dicke dieser P-Ieitenden Diffusionsschicht kann zwischen 20 und 200 μίτι betragen.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann zur Vergrößerung des Bahnwiderstandes in der Umgebung der Vertiefungen für die lokale Diffusion ein Teil der hochleitfähigen Oberflächenschicht: abgeätzt, so daß sich die Ausnehmungen 14 ergeben.

Schließlich wird die P-dotierte Schicht an den Seitenflächen 11 und 12 der Siliziumscheibe 1 entfernt und die so behandelten Seiten in bekannter Weise beispielsweise doppelseitig abgeschrägt.

Die Verwendung des Spannungsbegrenzers nach F i g. 1 mit den Schwellspannungen U₂ und Ub zur Spannungsbegrenzung — im Hinblick auf die gestellte Aufgabe — beruht nun darauf, daß der Schutz gegen Überspannungen (darunter werden in diesem Zusammenhang Spannungen an der Störstelle > Ub verstanden) nicht erst bei Ub, wie bei den DSAS-Elementen herkömmlicher Bauweise (vgl. F i g. 3, Kurvet sondern bereits bei einer kleineren Spannung U₁, einsetzt. Ein Teil der bei Verwendung von DSAS-Elementen vollständig vom zu schützenden Element, etwa einem Thyristor, zu verarbeitende Verlustleistung wird jetzt teilweise vom Schutzelement selbst übernommen, weil zwischen Störquelle und dem zu schützenden Element durch den im DSAS-Element fließenden Strom ein Spannungsabfall entsteht, so daß die am zu schützenden Element wirksam liegende Spannung nur in Ausnahmefällen Lkübersteigt

Besonders im Hinblick auf die häufig auftretenden Impulse geringer Überspannung bewirkt das neue

Stützelement eine wesentlich bessere Ausnutzung des zu schützenden Elementes.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem nicht die N-Zone sondern die P-Zonen an definierten Stellen 13a stärker dotiert sind bzw. einen größeren Konzentrationsgradienten aufweisen als das restliche Zonengebiet. Der Konzentrationsgradient der Störstellen an diesen Stellen 13a ist etwa 2 bis lOmal so groß wie im übrigen P-Gebiet. Vorzugsweise wird für die Stelle 13a ein anderer Akzeptor, z. B. Gallium, verwendet als für die Zonen 4 und 6 (z. B. Aluminium).

In Fig. 5 wird die Erhöhung des Bahnwiderstandes nicht durch Ausnehmungen über den Steilen Ϊ3 bzw. 13a, sondern durch Eindiffusion von Kompensationsstörstellen erreicht.

F i g. 6 zeigt eine Draufsicht auf einen Spannungsbegrenzer mit fingerförmigen Stellen 13i> erhöhter Störstellenkonzentration. Diese Stellen 13/> sind in Fig. 6 (beispielsweise) sternförmig angeordnet. Die Ausnehmungen über den Stellen 136 erhöhter Störstel-

lenkonzentration weisen hierbei eine (beispielsweise) zusammenhängende ebenfalls sternförmige Struktur auf.

Kennlinie und Wirkungsweise der drei letzten Ausführungsbeispiele entsprechen dem Ausführungs-

jo beispiel nach F i g. 1 und 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1 Spannungsbegrenzer mit zwei Kontaktelektroden (2, 3) und einem Halbleiterkörper (1), der aus einer niedrig dotierten Mittelzone (5) und zwei 5 daran anschließenden höher dotierten Außenzonen (4, 6) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps besteht, wobei die Störstellenkonzentration in der Mittelzone (5) kleiner als 10¹⁵Cm-³ ist, dadurch gekennzeichnet, daß