DE2538042A1

DE2538042A1 - Gategesteuerte halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE2538042A1
Application number: DE19752538042
Authority: DE
Inventors: John Manning Svidge Neilson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-08-27
Publication date: 1976-03-25
Also published as: FR2284193A1; NL7510503A; IT1041931B; SE7509841L; JPS5152282A; BE833046A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland ■ Dr.-ing. R. KOnIg · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ood Düsseldorf 3d · Cecilienallee 7S · Telefon 43273a

26. August 1975 30 264 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Gategesteuerte Halbleitergleichrienter"

Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente, insbesondere gategesteuerte Halbleitergleichrichter.

Bekannte gategesteuerte Halbleitergleichrichter, auch SCR genannt (semiconductor controlled rectifiers), sind elektrische Schalter, die entweder im abgeschalteten, spannungssperrenden Zustand hoher Impedanz oder im eingeschalteten Zustand niedriger Impedanz arbeiten. Um solche Bauelemente vom abgeschalteten in den eingeschalteten Zustand zu schalten (mit zwischen den Kathoden- und Anodenelektroden des Bauelements angelegter Spannung), wird an die Gate-Elektrode des Bauelements eine Triggerspannung angelegt.

Nicht so bekannt (was die kommerzielle Verwendbarkeit anbelangt) sind SCR-Bauelemente, die zusätzlich ausgeschaltet werden können durch das Anlegen einer Triggerspannung an die Gate-Elektrode. Möglicherweise liegt ein Hauptproblem bei bekannten Abschaltbauelementen, nachfolgend als Gate-Abschalt-Bauelemen-tB (GTOs) bezeichnet, darin, daß während des Abschaltvorgangs, wie nachfolgend noch erklärt werden wird, der Strompfad durch das Bauelement zwischen den Kathoden- und Anoden-

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(Haupt)-Anschlüssen im Querschnitt stark zusammengedrückt wird, was zu relativ hohen Stromdichten durch Teile des Bauelements führt. Solch hohe Stromdichten bewirken Überhitzung und Zerstörung des Bauelements.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein GTO-Bauelement zu schaffen, bei dem hohe Stromdichten während seines Abschaltens vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterkörper, der nebeneinanderliegend einen Stromregenerierteil und einen nicht regenerierenden Teil sowie Elektroden auf Abstand zueinander besitzenden Oberflächen des Körpers zur Bildung eines Stromweges durch jeden der Teile enthält, wobei die Stromleitung durch den nicht regenerierenden Teil von der seitlichen Diffusion der Ladungsträger aus dem regenerierenden Teil in den Teil abhängt, und bei dem die Länge des nicht regenerierenden Teils in Richtung vom regenerierenden Teil weg mindestens gleich der Dicke des Teils des Körpers ist, durch den die seitliche Diffusion stattfindet,,

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung gezeigt ist, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert:

Das dargestellte GTO-Bauelement 10 enthält eine rechteckige Pastille 12 aus Halbleitermaterial, z.B. Silizium, mit gegenüberliegenden Oberflächen 14 und 16 und einer Seitenfläche 18. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Pastille 12 eine Dicke von ungefähr 0,23 mm, eine Länge von ungefähr 1,0 mm und eine Breite von ungefähr 1,0 mm. Innerhalb der Pastille 12 sind mehrere Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit vorgesehen, und zwar ein Emitterbereich 20 hoher Leitfähigkeit (n⁺), ein

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p-leitender Basisbereich 22, ein Basisbereich 24 niedriger Leitfähigkeit (n~), und ein Emitterbereich 26 hoher Leitfähigkeit (p⁺). Gemäß der Darstellung ist jeder Basisbereich zwischen einem der Emitterbereiche und dem anderen Basisbereich angeordnet.

Wenn auch bei erfindungsgemäß ausgeführten Bauelementen nicht unbedingt erforderlich, besteht ein flacher Teil 27 des p-Basisbereichs 22 anschließend an den n-Emitterbereich 20 aus Material mit relativ hohem Widerstand, z.B. ungefähr 2 bis 3 Ohm-cm, mit dem Zweck, die Zündüberspannung zwischen dem n-Emitterbereich 20 und dem p-Basisbereich 22 zu erhöhen.

Auf der oberen Oberfläche 14 der Pastille 12 befinden sich eine Kathodenelektrode 30 in direktem Ohm'sehen Kontakt mit dem n-Emitterbereich 20 und eine Gate-Elektrode 34 in direktem 0hm'sehen Kontakt mit dem p-Basisbereich 22. Der p-Basisbereich 22 umfaßt einen hochdotierten (p⁺)-Teil 35 direkt unterhalb und in Kontakt mit der Gate-Elektrode 34, um die Ohm'sche Verbindung zwischen der p-Basis 22 und der Elektrode 34 zu verbessern.

Auf der unteren Oberfläche 16 der Pastille ist eine Anodenelektrode 42 in direktem 0hm¹ sehen Kontakt mit dem p-Emitterbereich 26 angebracht. Wie aus der Darstellung hervorgeht, kontaktiert die Anodenelektrode 42 auch den n-Basisbereich 24 entlang einem Teil 43 der Pastille unterhalb vom Emitterbereich 20 und entfernt (d.ho auf der gegenüberliegenden Seite der Pastille) von der Gate-Elektrode 34. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Teil 43 eine Länge L (in Richtung von dem p-Emitterbereich weg) von ungefähr 0,25 mm, während der n-Emitterbereich 20 eine

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Länge von ungefähr 0,75 mm aufweist.

Bis zu dem "bisher beschriebenen Aufbau ist das Bauelement 10 bekannten SCR-Bauelementen sehr ähnlich und arbeitet auch sehr ähnlich wie diese.

Ein Unterschied gegenüber den bekannten Bauelementen besteht jedoch darin, daß der Teil 43 der Pastille 12, in dessen Bereich die Anodenelektrode 42 den n-Basisbereich 24 kontaktiert, ungewöhnlich groß ist, d.h. die Länge L ist vorzugsweise mindestens so groß wie die Dicke der Pastille. Dieser Pastillenteil 43 (nachfolgend als der "Puffer"-Teil 43 bezeichnet) spielt eine besonders wichtige Rolle während des Abschaltens des Bauelements, wie nachfolgend noch erklärt wird.

Das Einschalten des Bauelements 10 wird wie bei bekannten SCR-Bauelementen durchgeführt, nämlich durch Anlegen einer positiven Triggerspannung (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel) an die Gate-Elektrode 34. Wie bei bekannten Bauelementen verbleibt das Bauelement 10 nach Entfernen der Gate-Triggerspannung in seinem leitenden Zustand, vorausgesetzt daß der Ladungsträgerinjektionsvorgang regenerativ ist, d.h. vorausgesetzt, daß vom p-Emitter 26 injizierte Löcher den p-Basisbereich 22 in einer Anzahl erreichen, die ausreicht, um den n-Emitterbereich 20 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, und daß Elektronen, die auf diese Weise in den Basisbereich 22 von dem in Durchlaßrichtung vorgespannten Emitterbereich 20 injiziert wurden, den n-Basisbereich 24 in ausreichender Zahl erreichen, um den p-Emitterbereich 16 in Durchlaßrichtung vorzuspannen.

Mit anderen Worten kann das Bauelement 10 als zwei

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Transistoren umfassend angesehen werden, nämlich einen "oberen" npn-Transistor mit den Bereichen 20, 22 und 24 und einen "unteren" pnp-Transistor mit den Bereichen 26, 24 und 22, wobei der KollektDrbereich jedes Transistors dem Basisbereich des anderen Transistors gemeinsam ist. Das Bauelement verbleibt in seinem leitenden Zustand, d.h. es arbeitet in einer regenerierenden oder rückkoppelnden Weise, vorausgesetzt die Summe der Stromverstärkungen (definiert als das Verhältnis von Kollektorstrom zu Emitterstrom) der beiden Transistoren ist ungefähr gleich oder größer 1.

Das Bauelement 10 ist unter Berücksichtigung bekannter Aufbaukriterien gestaltet, um solche regenerierenden Vorgänge in einem Teil 50 der Pastille 12 (nachfolgend Regenerierteil genannt) links von dem Pufferteil 43 durchzuführen.

Von Bedeutung ist, daß im Pufferteil 43 der Pastille der Strominjektionsvorgang nicht regenerierend ist. Dies deshalb, weil wegen des direkten Kontaktes der Anodenelektrode 42 mit dem n-Basisbereich 24 der Pufferteil 43 nur einen Emitterbereich (den n-Emitterbereich 20) enthält, und nur einen Transistor (den oberen npn-Transistor, bestehend aus den Bereichen 20, 22 und 24). Da es möglich ist (in nachfolgend beschriebener Weise), den Teil des n-Emitterbereichs 20 innerhalb des Pufferbereichs 23 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, um ihn zur Injektion von Elektronen zu veranlassen, sind die injizierten Elektronen wegen des Fehlens eines p-Emitterbereichs ineffektiv, um eine entsprechende Injektion von Löchern einzuführen. Somit ist der Injektionsprozeß nicht regenerierend.

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Ausgedrückt mit Bezug auf die Stromverstärkung des Pufferteils 43 bedeutet dies: da darin nur ein Transistor vorliegt, ist die Stromverstärkung des Pufferteils des Bauelements 10 inhärent geringer als 1 und regenerierende Vorgänge sind nicht möglich.

Während das Bauelement 10 sich im Zustand niedriger Impedanz und hoher Leitfähigkeit befindet, findet jedoch nennenswerte Leitung durch den Pufferteil 43 zwischen den "Haupt"-Anschlüssen des Bauelements statt, d.h. zwischen der Bauelementkathodenelektrode 30 und der Anodenelektrode 42. Derartige Leitung findet wegen der seitlichen Diffusion von Ladungsträgern aus dem Regenerierteil 50 der Pastille 20 in den Pufferteil 43 statt. Das heißt, Löcher, die aus dem p-Emitterbereich 26 in dem Regenerierteil 50 injiziert wurden, diffundieren seitlich in den p-Basisbereich 22 im Pufferteil 43 und dienen dazu, den n-Emitterbereich 20 in Vorwärtsrichtung vorzuspannen um ihn zu veranlassen, Elektronen zu injizieren. Diese Elektronen erreichen schließlich die Anodenelektrode 42 und werden dort gesammelt. Die Löcher in der p-Basis 22 erreichen schließlich die Kathodenelektrode 30 und rekombinieren dort. Während diese Löcher nicht direkt ersetzt werden als Ergebnis eines Lochinjektionsvorgangs indem Pufferteil 43, ist die Stromdichte im Regenerierteil 50 angemessen hoch um diese Löcher durch zusätzliche seitliche Diffusionen leicht zu ersetzen. Obgleich der Pufferteil 43 mit einer etwas niedrigeren Stromdichte als der Regenerierteil 50 leitet, leitet der Pufferteil einen beachtlichen Teil des Stroms durch das Bauelement 10 und trägt erheblich zur Stromleistungsfähigkeit des Bauelements bei.

Da die Stromleitung durch den Pufferteil 43 von der darin

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stattfindenden seitlichen Diffusion der Ladungsträger aus dem Regenerierteil 50 abhängt, nimmt die Stromdichte durch den Pufferteil 43 mit der Entfernung vom Regenerierteil 50 ab, d.h. sie nimmt mit zunehmender Diffusionsentfernung ab. Grundsätzlich ist die seitliche Diffusion von Ladungsträgern eine Funktion der Dicke der Bereiche, in denen solche Diffusionen stattfinden, d.h. der beiden Basisbereiche 22 und 24 im Bauelement 10, und eine praktische obere Grenze für die Länge L der Pufferstation beträgt ungefähr 3 bis 4 mal der Gesamtdicke dieser Bereiche. Mit Längen L größer als diesen Beträgen ist die Stromleitung durch die vom Regenerierteil 50 am entferntesten liegenden Bereiche so gering, daß sie nur wenig zum Verhalten des Bauelements beiträgt.

Da der n-Emitterbereich 20 gewöhnlich recht dünn im Vergleich zu der Gesamtdicke der Pastille ist, d.h. die beiden Basisbereiche 22 und 24 den Großteil der Pastillendicke im Pufferteil 43 einnehmen, wird die bevorzugte Länge L des Pufferbereichs 43 am einfachsten durch ihre Relation zur Dicke der Pastille 12 definiert bzw. angegeben.

Um das Bauelement 20 abzuschalten, wird eine negative Spannung (im vorliegenden Ausführungsbeispiel) an die Gate-Elektrode 34 angelegt. Diese Spannung neigt dazu, Löcher anzuziehen und aus dem p-Basisbereich 22 abzuziehen, und, vorausgesetzt, daß eine genügend große Anzahl von Löchern auf diese Weise entfernt wird, es wird somit die Injektion von Elektronen vom n-Emitterbereich 20 nicht weitergeführt und der selbsterhaltende Regeneriervorgang unterbrochen.

Ein Problem bei bekannten GTO-Bauelementen besteht darin, daß wegen des Spannungsabfalls im Basisbereich 22, der

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durch den Fluß von Löchern zur Gate-Elektrode 34 während des Äbschaltens hervorgerufen wird, der die Vorspannung aufhebende Effekt der Spannung der Abschaltelektrode an der Kante 52 des Emitterbereichs 20 nächst der Gate-Elektrode 34 am größten ist und mit zunehmendem Abstand von der Gate-Elektrode abnimmt. Das führt dazu, daß die Elektroneninjektion vom n-Emitterbereich 20 als erstes an der Kante 52 des Emitterbereichs nächst der Gate-Elektrode ausgelöscht wird und der Löschvorgang dann entlang dem Emitterbereich 20 in Richtung von der Gate-Elektrode weg fortschreitete Wegen der hohen Leitfähigkeit des Plasmas wird jedoch der Ge samt strom durch das Bauelement nicht unverzüglich reduziert,vielmehr wird versucht werden, die Stromreduzierung von den gelöschten Teilen des Emitterbereichs 20 auszugleichen durch erhöhte Elektroneninjektion aus den verbleibenden nicht gelöschten oder in Vorwärtsrichtung vorgespannten Teilen der Emitterbereiche. Als Ergebnis wird der durch das Bauelement fließende Strom in einen Strompfad abnehmenden Querschnitts und zunehmender Stromdichte geschnürt, und zwar mehr und mehr mit zunehmender Entfernung von der Gate-Elektrode 34.

Wegen der Kombination zunehmender Entfernung von der Gate-Elektrode, somit Zunehmen des Spannungsabfalls zwischen der Gate-Elektrode und den verbleibenden, nicht gelöschten Strom-"Fäden" oder Plasmas, und der höheren Stromdichten der verbleibenden Plasmas, die dazu neigen, den Injektionswirkungsgrad der verbleibenden vorwärtsgespannten Teile des n-Emitterbereichs 20 zu erhöhen, sind die verbleibenden Plasmas sehr schwierig abzuschalten. Auch wegen überstarker lokaler Erhitzung kann das Vorhandensein solch hoher Stromdichteplasmas für das Material der Pastille schädigend sein,,

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Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen ungewöhnlich großen Pufferteil 43 stellt dieser jedoch während des sich in Längsrichtung vollziehenden Abschaltens des Emitterbereichs 20 noch eine relativ große Fläche für den Stromfluß durch das Bauelement zur Verfügung, wodurch das Anwachsen der Stromdichte im Regenerierteil 50 minimisiert wird. Das heißt, während des fortschreitenden Abschaltens des Emitterbereichs 20 wird der durch das Bauelement fließende Strom vollständig vom Regenerierteil 50 in den Pufferteil 43 gestoßen. In dem Maße, wie der Pufferteil 43 groß genug ausgelegt wird, um den dort durchfließenden zugenommenen Strom zu bewältigen, wird überstarkes Konzentrieren des Stroms im Regenerierteil 50 vermieden.

Darüber hinaus stellt sich, sobald die gesamte Länge des Emitterbereichs 20 im Regenerierteil 50 gelöscht ist, durch das Ableiten der Ladungen vom Basisbereich 22 zur Gate-Elektrode 34 der Pufferteil 43 selbst ab«, Dies geschieht, wie oben erklärt, weil aufgrund der Abwesenheit seitlicher Ladungsdiffusion in den Pufferteil 43 vom Regenerierteil 50 der Pufferteil nicht zu regenerierendem Verhalten fähig ist. Von Wichtigkeit ist, daß, während der Pufferteil 43 zur Stromfähigkeit des Bauelements in seinem eingeschalteten oder niedrigleitenden Zustand beiträgt, das Abschalten des Stroms durch den Pufferteil 43 unabhängig vonder Gate-Elektrode 34 vonstatten geht. Das heißt, das Abschalten des Pufferteils 43 umfaßt nicht ein Ableiten von Ladung vom Pufferteil zur Gate-Elektrode, und die Spannung an der Gate-Elektrode braucht nicht bis in den Pufferbereich "hineinzureichen". Somit muß trotz der durch den erfindungsgemäßen Pufferteil 43 verbesserten Stromfähigkeit keine größere Spannung an die Gate-Elektrode angelegt werden, um das Bauelement auszuschalten«,

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Bekannte GTO-Bauelemente, ζ.B₀ gemäß Fig. 3 des US-Patentes 3 324 359, besitzen inhärent solche Pufferbereiche als Folge der Verwendung sogenannter "Kurzschlußanoden^lt-Konstruktionen₀ Der Zweck der Verwendung solcher kurzgeschlossener Anoden besteht jedoch darin, die Stromverstärkung des unteren Transistors solcher Bauelemente zu verringern durch Kurzschließen des Emitters eines solchen unteren Transistors mit seinem Basisbereich, zum Zwecke des Vergrößerns der Abschaltverstärkung des Bauelements (das Verhältnis von Hauptanschluß strom des Bauelements zum p-Elektrodenstrom, der zum Abschalten des Bauelements benötigt wird). Dem Stand der Technik ist jedoch kein Hinweis zu entnehmen, der die Effektivität eines Pufferbereichs betrifft im Hinblick auf das Verhindern hoher Stromdichteplasmas während des Abschaltens von solchen Bauelementen, und nichts ist vor dem Prioritätstag in dieser Richtung bekannt geworden, was den Einsatz derart bemessener Kurzschlußanodenbereiche beträfe, um hinsichtlich der mit der Erfindung erzielten Wirkungsweise von Einfluß zu sein.

Wie bereits erwähnt, entspricht eine bevorzugte Minimallänge L des Pufferteils 43 ungefähr der Dicke der Pastille 12. Unterhalb dieser Länge wird die Fähigkeit des Pufferteils nicht voll ausgenutzt, sowohl die Stromleitfähigkeiten des Bauelements zu erhöhen als auch den Aifbau überstarker Stromdichteplasmas im Regenerierteil 50 während des Abschaltens des Bauelements zu verhindern.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente können bekannte Verfahren zur Anwendung kommen. So kann beispielsweise von einem Siliziumhalbleiterscheibchen ausgegangen werden, das ungefähr 0,2 mm dick ist und eine Leitfähigkeit besitzt, die der für den n-Basisbereich 24 des Bauelements 10 gewünschten entspricht,

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z.B. 30 Ms 40 Ohm-cm beträgt; als erstes wird ein Bereich vorgesehen, der Teil des p-Basisbereichs 22 sein soll. Zum Beispiel kann Bor auf eine Hauptoberfläche des Ausgangsscheibchens mit einer Konzentration von 10 Atomen/cm niedergeschlagen werden; die Fremdstoffatome werden in das Scheibchen Ms zu einer Tiefe von ungefähr 0,013 mm eingetrieben. Dann wird eine 0,025 mm dicke Schicht aus p-leitendem Material mit relativ hohem spezifischen Widerstand, von ungefähr 2 bis 3 Ohm-cm, epitaktisch auf der genannten Oberfläche aufgewachsen«, Unter Berwendung bekannter Maskiertechniken wird Bor in einen Teil der anderen Hauptfläche diffundiert, um den P⁺-EmItterbereich 26 zu bilden, und gleichzeitig in einen Teil der epitaktisch gewachsenen p-Schicht, um den p⁺-Bereich 35 des p-Basisbereichs 22 zu bilden. Die letztgenannten Diffusionen werden mit Bor bei einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 5 x 10 ^ Atomen/cm durchgeführt, und zwar Ms zu einer Tiefe von ungefähr 0,013 mm. Dann wird unter Verwendung von Phosphor in

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einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 10 Atome/cm der n-Emitterbereich 20 Ms zu einer Tiefe von ungefähr 0,013 mm in einen Teil der epitaktisch aufgewachsenen Schicht mit Abstand vom p⁺-Bereich 35 e indiffundiert „ Die verschiedenen Elektroden, z.B. aus Nickel oder Aluminium, werden dann niedergeschlagen und unter Verwendung bekannter Techniken begrenzt«,

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N_eY. 10020 (V.St.A.)

Patentanspruch;

Gategesteuerter Gleichrichter (GTO), gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper (12), der nebeneinanderliegend einen Stromregenerierteil (50) und einen nicht regenerierenden Teil (43) sowie Elektroden (42 und 30) auf Abstand zueinander besitzenden Oberflächen (16 und 14) des Körpers (12) zur Bildung eines Stromweges durch jeden der Teile (50 und 43) enthält, wobei die Stromleitung durch den nicht regenerierenden Teil (43) von der seitlichen Diffusion der Ladungsträger aus dem regenerierenden Teil (50) in den Teil (43) abhängt, und bei dem die Länge (L) des nicht regenerierenden Teils (43) in Richtung vom regenerierenden Teil (50) weg mindestens gleich der Dicke des Teils des Körpers (12) ist, durch den die seitliche Diffusion stattfindet»

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